基于张开位移的管节点裂纹应力强度因子评估

论文摘要

管节点作为一种典型的支撑结构已被广泛应用于海洋平台结构中。由于常年承受风浪流等交变载荷作用,管节点通常在焊缝处率先出现表面疲劳裂纹,是海洋平台发生疲劳破坏的最薄弱部位。基于应力强度因子的断裂力学估算法是对损伤结构进行剩余寿命估算的一种合理方法,因此,对管节点焊趾部位表面裂纹应力强度因子的精确计算是进行平台结构剩余寿命评估的基础。准确而快速地评估出管节点焊趾部位表面裂纹应力强度因子对于我们解决工程实际问题具有重要的意义。表面裂纹开口位移可以通过实验检测方法获得。本文建立海洋平台管节点处表面裂纹的开口位移、裂纹尺寸、管节点几何尺寸和应力强度因子之间的数学关系,根据实验检测数据,能够直接估算表面裂纹的应力强度因子。本文的主要内容包括以下几个方面:首先,对本论文的研究背景做了简要的介绍,并回顾了裂纹的检测技术、提出了本文研究的内容。第二章主要介绍了断裂力学的基本概念以及计算裂纹应力强度因子的方法。作为本文的重点之一,第三章针对典型K型管节点论述了怎样建立表面裂纹有限元模型。在基本假设基础上,对裂纹尖端单元的大小和整体网格的精度进行了研究。第四章中重点论述了参考不同管节点形状尺寸和裂纹尺寸参数的情况下进行大量数值计算,并用BP神经网络预测出管节点应力强度因子与其裂纹长度和开口位移以及管节点几何尺寸之间的映射关系,从而根据裂纹开口位移直接快速估算出管节点表面裂纹应力强度因子。计算结果表明,本文提出的方法具有很高的精度,与传统的利用裂纹尖端奇异元计算应力强度因子的方法相比,计算结果相差不到1%。本文的方法经济、简单,在工程上具有很好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究的背景
• 1.2 应力强度因子的计算
• 1.3 裂纹检测的方法
• 1.4 论文研究的内容
• 2 裂纹的应力强度因子
• 2.1 线弹性断裂力学基本理论
• 2.1.1 断裂模式
• 2.1.2 裂纹尖端附近的应力场和位移场
• 2.1.3 应力强度因子
• 2.2 应力强度因子的求解方法
• 2.2.1 解析法
• 2.2.2 数值解法
• 2.2.3 实测法
• 3 海洋平台管节点表面裂纹有限元模型及精度分析
• 3.1 最大应力计算
• 3.2 建立几何模型
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 焊接尺寸的确定
• 3.2.3 裂纹面的确定
• 3.2.4 裂纹线的确定
• 3.3 建立有限元模型
• 3.4 检验模型计算的精度
• 3.4.1 有限元分析
• 3.4.2 Bowness & Lee等式估算
• 4 K型管节点应力强度因子评估
• 4.1 海洋平台管节点应力强度因子的几种计算模型
• 4.1.1 基于疲劳试验的计算模型
• 4.1.2 平板模型
• 4.1.3 基于有限元数值分析结果的计算模型
• 4.2 无线大体埋藏椭圆裂纹应力强度因子与开口位移的关系
• 4.3 K型管节点表面裂纹应力强度因子与开口位移的关系
• 4.3.1 计算模型
• 4.3.2 边界修正因子M
• 4.4 采用BP神经网络预测K型管节点应力强度因子
• 4.4.1 人工神经网络及BP模型简介
• 4.4.2 运用BP神经网络对管节点应力强度因子进行训练
• 结论与展望
• 1 结论
• 2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢