具有裂紋損傷的船舶結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度分析.pdf

1、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的準(zhǔn)確評(píng)估是船舶結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、制造和使用過(guò)程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。由于船舶結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中可能遭遇到多種事故和損傷，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)顯著降低，甚至導(dǎo)致破壞，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和不利的影響。所以，為了提高船舶結(jié)構(gòu)的使用安全性和使用壽命，正確評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)受到損傷之后的剩余極限強(qiáng)度越來(lái)越受到人們的關(guān)注。 近幾年來(lái)，船舶結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的研究取得了很大的進(jìn)步，人們對(duì)結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的本質(zhì)及研究的必要性有了更加深入的認(rèn)識(shí)

2、，但是作為一個(gè)新的研究領(lǐng)域，它目前仍處于初始發(fā)展階段，進(jìn)一步研究各種損傷形式對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載能力的影響，建立合理的結(jié)構(gòu)損傷分析模型是船舶結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究的新方向。裂紋是大多數(shù)結(jié)構(gòu)最為常見(jiàn)的一種損傷缺陷，然而，由于含裂紋結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的復(fù)雜性以及剩余極限強(qiáng)度影響參數(shù)的多樣性，其剩余極限強(qiáng)度的評(píng)估方法與完整結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的評(píng)估方法有所不同。目前，這方面的系統(tǒng)研究較少，以分析裂紋問(wèn)題為目的的斷裂力學(xué)理論還具有一定的局限性，并且研究結(jié)果很難直接應(yīng)用到工程

3、上。 因此，本文的目的是綜合分析當(dāng)前含裂紋結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度研究的概況，對(duì)含裂紋船舶結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的評(píng)估方法做一較為深入系統(tǒng)的研究，綜合考察裂紋缺陷對(duì)典型船舶結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的影響，給出帶裂紋構(gòu)件的極限強(qiáng)度計(jì)算方法和合理的止裂及修復(fù)的工程建議，同時(shí)為復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)以及船體梁的剩余極限強(qiáng)度評(píng)估提供基礎(chǔ)。圍繞這一目的，本文主要完成了以下幾個(gè)方面的工作： (1)系統(tǒng)歸納和總結(jié)了含裂紋結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的研究方法和研究進(jìn)展；在吸收前人研

4、究成果的基礎(chǔ)上，找到合理地解決含裂紋船舶結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度問(wèn)題的彈塑性和全面屈服破壞分析方法； (2)用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)含單一裂紋的板的剩余極限強(qiáng)度進(jìn)行了無(wú)量綱參數(shù)化分析，考察了材料特性(包括屈強(qiáng)比、泊松比)、裂紋特征(包括長(zhǎng)度、位置、與外應(yīng)力方向的夾角)、結(jié)構(gòu)幾何尺寸(包括厚寬比、長(zhǎng)寬比)以及加載形式(包括均勻應(yīng)力和固定位移)對(duì)板的極限強(qiáng)度的影響，得到了包含多個(gè)影響參數(shù)的剩余極限強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

5、 (3)對(duì)含裂紋的加筋板的剩余極限強(qiáng)度進(jìn)行了無(wú)量綱參數(shù)化分析和計(jì)算，考慮了加筋板上的三種缺陷形式，即板和筋上的垂直裂紋，板和筋上的傾斜裂紋，以及板上的裂紋和筋上的半圓孔。對(duì)板和筋上的相對(duì)裂紋長(zhǎng)度、材料屬性、板和筋的厚度、裂紋與外應(yīng)力夾角以及圓孔的直徑等影響參數(shù)進(jìn)行了分析。同時(shí)，將無(wú)加筋平板剩余極限強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式推廣到加筋板，并驗(yàn)證了修正公式的有效性。 (4)對(duì)含典型多裂紋(MSD)缺陷的板和加筋板的剩余極限強(qiáng)度進(jìn)行了討

6、論，分析了干擾裂紋對(duì)主導(dǎo)裂紋的干擾性及其對(duì)板的剩余極限強(qiáng)度的影響；其中，考慮了干擾裂紋的兩種形式，即平行于主導(dǎo)裂紋和與主導(dǎo)裂紋呈一定角度的干擾裂紋，同時(shí)分析了干擾裂紋與主導(dǎo)裂紋的相對(duì)位置的影響；考察了能夠引起板剩余極限強(qiáng)度明顯下降的干擾裂紋的位置，為建立合理的含多裂紋結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的隨機(jī)評(píng)估體系奠定了基礎(chǔ)； (5)基于應(yīng)變能密度因子理論對(duì)復(fù)合型裂紋的初始擴(kuò)展角度進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上討論了在裂紋尖端區(qū)域增加補(bǔ)強(qiáng)板進(jìn)行止裂的效果

7、，考察了補(bǔ)強(qiáng)板相對(duì)復(fù)合型裂紋尖端的位置以及補(bǔ)強(qiáng)板的剛度對(duì)止裂效果的影響，給出了合理的止裂和修復(fù)的工程建議； (6)結(jié)合現(xiàn)有的復(fù)雜船舶結(jié)構(gòu)和船體梁極限強(qiáng)度評(píng)估方法，介紹了將以上分析結(jié)論應(yīng)用到復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)以及船體梁的剩余極限強(qiáng)度評(píng)估中的基本方法。 通過(guò)本文的研究工作可以得出如下有價(jià)值的結(jié)論： (1)板的剩余極限強(qiáng)度受屈強(qiáng)比影響很大，幾乎不受泊松比的影響；剩余極限強(qiáng)度隨裂紋長(zhǎng)度的衰減趨勢(shì)可以分為兩部分，裂紋較小時(shí)可以近

8、似為指數(shù)衰減，裂紋較長(zhǎng)時(shí)近似為線性衰減；而剩余極限強(qiáng)度隨裂紋與外應(yīng)力央角以正弦趨勢(shì)變化；裂紋偏心程度增大時(shí)板的剩余極限強(qiáng)度明顯下降；板承受邊界均布應(yīng)力作用時(shí)，剩余極限強(qiáng)度隨著長(zhǎng)寬比的增大迅速增大，直到達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的常數(shù)值；而當(dāng)邊界載荷條件為固定位移條件時(shí)，變化趨勢(shì)恰好相反，板長(zhǎng)寬比較小時(shí)的剩余極限強(qiáng)度較大，隨著長(zhǎng)寬比的逐漸增大，剩余極限強(qiáng)度迅速減小直到達(dá)到與均布應(yīng)力條件下相同的穩(wěn)定值。 (2)裂紋長(zhǎng)度、傾角、材料屈強(qiáng)比以及筋上開(kāi)

9、孔的大小都對(duì)加筋板的剩余極限強(qiáng)度有著顯著的影響；對(duì)于理想彈塑性材料，可以較為合理地考慮凈截面屈服的破壞模式，通過(guò)折減裂紋所占有的橫截面積來(lái)估算加筋板的剩余極限強(qiáng)度；當(dāng)板和筋上均具有裂紋時(shí)，加筋板可以簡(jiǎn)化為一個(gè)具有一定長(zhǎng)度裂紋的等效平板，但是等效裂紋長(zhǎng)度相同時(shí)，板和筋上不同的相對(duì)裂紋長(zhǎng)度組合會(huì)在一定程度上影響加筋板的剩余極限強(qiáng)度；筋上較小的開(kāi)孔能夠使裂紋對(duì)加筋板極限強(qiáng)度的削弱程度降低。 (3)多裂紋存在時(shí)，主導(dǎo)裂紋附近的干擾裂紋將

10、影響主導(dǎo)裂紋尖端的應(yīng)力分布，但是在一定位置和長(zhǎng)度下也可能降低主導(dǎo)裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子；干擾裂紋長(zhǎng)度及其與主導(dǎo)裂紋中心的距離在一定范圍內(nèi)時(shí)，才對(duì)板的剩余極限強(qiáng)度產(chǎn)生影響；在影響區(qū)域內(nèi)，干擾裂紋將影響主導(dǎo)裂紋尖端塑性區(qū)，緩慢加載時(shí)，兩裂紋在塑性區(qū)連通后可以近似看作一條長(zhǎng)裂紋，此時(shí)板的剩余極限強(qiáng)度明顯下降；當(dāng)干擾裂紋逐漸遠(yuǎn)離主導(dǎo)裂紋，其對(duì)主導(dǎo)裂紋的影響逐漸消失，對(duì)板的失效起著決定作用的是主導(dǎo)裂紋兩端的塑性區(qū)，此時(shí)，干擾裂紋的影響可以忽略；因

11、此多條干擾裂紋存在時(shí)，評(píng)估板的剩余極限強(qiáng)度時(shí)可以將沒(méi)有影響的干擾裂紋忽略。本文對(duì)主導(dǎo)裂紋相對(duì)板寬的長(zhǎng)度為0.4、干擾裂紋相對(duì)主導(dǎo)裂紋的長(zhǎng)度為0.25的裂紋分布位置對(duì)板剩余極限強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析，指出了影響板剩余極限強(qiáng)度的干擾裂紋中心位置區(qū)域(干擾裂紋中心與主導(dǎo)裂紋中心橫向距離大于0.3倍板寬，縱向距離小于0.6倍板寬)。 (4)根據(jù)應(yīng)變能密度因子理論，可以通過(guò)做出應(yīng)變能密度因子相對(duì)裂尖局部坐標(biāo)下傾角的變化曲線獲得裂紋的初始擴(kuò)展

12、角度；有限元計(jì)算能夠得到隨著載荷增加的彈塑性裂尖周?chē)鷳?yīng)變能密度變化趨勢(shì)，從而反映塑性條件下裂尖附近的能量分布特征；對(duì)于板上含有裂紋的加筋板，板上裂紋由于受到加強(qiáng)筋的影響，裂紋面的張開(kāi)位移比相同應(yīng)力水平下單獨(dú)平板的同參數(shù)裂紋的裂紋面張開(kāi)位移要小，但是當(dāng)筋上的裂紋尺寸增大時(shí)，板上裂紋應(yīng)力迅速增大，因此工程結(jié)構(gòu)中要盡量避免筋上裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展；相同載荷作用下，在靠近裂紋尖端的部分加補(bǔ)強(qiáng)板，能夠分流裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度，降低裂尖的應(yīng)力變化梯度，

13、從而減小裂紋的危險(xiǎn)性；補(bǔ)強(qiáng)板的修復(fù)作用與其位置有關(guān)，越靠近裂紋尖端其修復(fù)作用越好，而其角度位置應(yīng)該在裂紋的初始擴(kuò)展角度附近，且剛度較大的補(bǔ)強(qiáng)板的修復(fù)作用較好，但是當(dāng)剛度增大到一定值時(shí)，修復(fù)作用會(huì)趨于穩(wěn)定；補(bǔ)強(qiáng)板尤其適用于不能使用止裂孔的水下區(qū)域結(jié)構(gòu)的暫時(shí)止裂。 總之，用數(shù)值分析方法能夠合理地分析裂紋對(duì)結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度的作用，分析表明，裂紋的存在極大地削弱了結(jié)構(gòu)的剩余極限強(qiáng)度，裂紋的影響在工程結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估中應(yīng)該受到足夠的重視。同時(shí)