基于裂纹扩展理论的船体结构疲劳强度研究

论文摘要

疲劳破坏是船舶与海洋工程结构的主要失效形式之一,目前校核船体结构疲劳强度的方法主要是各大船级社颁布的基于S-N曲线和Miner线性累计损伤的方法,本文基于裂纹扩展理论,研究船体结构疲劳裂纹在随机载荷下的扩展,希望为进一步完善船舶结构疲劳校核方法提供依据。论文完成的主要工作有:1、应力强度因子的计算。对现在一些计算应力强度因子的方法进行比较分析,如经验公式法、权函数法和有限元法等。比较之后确定采用权函数法计算船体结构疲劳裂纹的应力强度因子。2、不规则波的模拟。通过模拟不规则波以有效获得船体结构在随机海况下的应力时历。3、有效应力强度因子的求解。考虑到裂纹闭合效应的因素,分别采用了Newman模型和Willenberg模型计算裂纹有效应力强度因子。4、等效应力的求解。通过将船舶航行中的随机变幅载荷等效为恒幅来考虑裂纹扩展。5、研究确定断裂判据。通过结合船舶结构的实际形式、部位、材料、受力情况以及设计使用参数来确定裂纹扩展的断裂判据。6、裂纹扩展数据比较。比较分析了在裂纹扩展过程中是否考虑裂纹闭合效应以及通过等效应力法计算的疲劳裂纹扩展数据,并给出了详细的计算过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 应力强度因子的计算
• 1.2.2 裂纹扩展模型
• 1.3 论文的主要工作
• 第2章 应力强度因子的计算
• 2.1 概述
• 2.2 裂纹形式划分
• 2.3 应力强度因子计算方法
• 2.3.1 经验公式
• 2.3.2 权函数法
• 2.3.3 基于ANSYS 的有限元法
• 2.4 各种方法计算应力强度因子的结果对比
• 2.4.1 表面裂纹
• 2.4.2 边裂纹
• 2.4.3 贯穿裂纹
• 2.5 权函数计算应力强度因子的进一步探讨
• 2.6 本章小结
• 第3章 船体结构在波浪中的疲劳应力计算
• 3.1 概述
• 3.2 船舶结构在规则波中的应力响应
• 3.3 不规则波中的应力时历模拟
• 3.3.1 不规则波的模拟
• 3.3.2 不规则波中的应力时历计算
• 3.4 等效应力的计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于裂纹扩展理论的疲劳寿命计算
• 4.1 概述
• 4.2 应力强度因子的计算
• 4.3 疲劳裂纹扩展速率模型
• 4.3.1 Paris–Erdogan 模型
• 4.3.2 Forman 模型
• 4.3.3 两种裂纹扩展速率模型的算例比较
• 4.4 裂纹闭合模型
• 4.4.1 Newman 模型
• 4.4.2 Wheeler 模型
• 4.4.3 Willenberg 模型
• 4.4.4 闭合模型在表面裂纹中的应用
• 4.5 影响裂纹扩展的其它参量
• 4.5.1 裂纹初始状态
• 4.5.2 应力强度因子范围门槛值
• 4.5.3 焊接残余应力
• 4.5.4 断裂判据
• 4.6 裂纹扩展寿命计算
• 4.7 本章小结
• 第5章 实船计算分析
• 5.1 概述
• 5.2 有限元模型
• 5.2.1 坐标系
• 5.2.2 单元网格
• 5.2.3 模型范围
• 5.2.4 材料参数
• 5.2.5 有限元模型探讨
• 5.3 载荷的确定和施加
• 5.3.1 水压的计算
• 5.3.2 货物压力的计算
• 5.3.3 载荷在有限元模型中的实现
• 5.3.4 边界条件及约束
• 5.4 应力插值方式
• 5.5 裂纹扩展寿命的计算
• 5.5.1 材料参数
• 5.5.2 初始裂纹尺寸
• 5.5.3 海况资料
• 5.5.4 裂纹扩展寿命计算
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢