疲劳裂纹扩展及基于风险的检测维修计划研究

论文题目: 疲劳裂纹扩展及基于风险的检测维修计划研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 船舶与海洋结构物设计制造

作者: 陈国龙

导师: 聂武

关键词: 疲劳试验,裂纹萌生,局部应力应变法,有限元法,裂纹扩展路径,疲劳寿命,总纵强度可靠性,风险分析,检测维修计划

文献来源: 哈尔滨工程大学

发表年度: 2005

论文摘要: 船舶与海洋结构物的疲劳问题是造成结构物失效破坏的主要因素之一。因此，如何更为有效地预报疲劳裂纹在结构中的萌生与扩展，了解裂纹在结构中的扩展对结构强度与可靠性的影响，以及如何制定合理的关于疲劳裂纹的检测与维修计划，是当前船舶与海洋工程领域的研究热点。本文系统地研究了以上提到的问题，为有效地降低结构因疲劳而破坏的风险提供依据与办法。本文的主要内容如下：1)通过对船舶典型三维节点结构的疲劳试验数据进行处理分析，研究稳定扩展期的疲劳裂纹扩展规律，建立疲劳裂纹扩展的动态模型，指出裂纹尺寸的对数值是服从随载荷循环次数变化的正态分布，其分布的均值和方差是循环次数的线性函数。均值与循环次数成正比例，方差与循环次数成反比例，均值与方差之间亦成反比例。2)将得到的裂纹扩展动态模型应用于某平台围井区结构的疲劳裂纹扩展寿命分析。采用概率统计的理论和容限分析的方法，确定裂纹的初始尺寸和临界尺寸；采用剩余强度干涉模型建立某平台主体结构裂纹区域的疲劳裂纹扩展可靠性动态模型；根据裂纹长度的检测值，利用贝叶斯方法，对裂纹扩展规律和结构疲劳裂纹扩展可靠性进行了修正。通过计算，指出由于试验构件与实际结构在结构形式、尺度和服役环境等方面的差异，所以实验所获得的裂纹扩展规律难于直接应用于工程实践。当将实验获得的规律应用于工程实践时，应当采用适当的方法，利用已有的检测资料对规律进行相应的修正。3)对比疲劳裂纹萌生寿命预报的两种主要方法：S—N曲线法和局部应力—应变法，对试验构件的裂纹萌生寿命进行计算，基于比较结果指出：在构件出现明显局部屈服现象时，结构的局部屈服和平均应力对裂纹萌生寿命影响较大；对这种萌生于塑性区的裂纹进行萌生寿命的预报，局部应力—应变法可以反映局部屈服的作用和平均应力的影响，给出比S—N曲线法更为准确的结果。4)应用线弹性断裂力学的理论，利用成熟有限元软件MSC—NASTRAN对疲劳裂纹在扩展阶段的路径与寿命进行研究。指出在双向应力作用下，裂纹在扩展的初级阶段有角度上的变化。裂纹的这种扩展路径的变化，会减轻裂纹尖端双向应力状态的影响，因此，裂纹经一段时间的扩展后，路径将变得比较稳定，基本呈直线状态。5)研究船舶结构中多条裂纹的扩展造成的船舶结构总纵强度可靠性随时间的衰减，通过对实船在一次航程内遭遇极限海况，造成甲板与船底纵骨中存在的裂纹快速扩展和船舶在全寿命期内剖面中裂纹扩展对船舶抗损能力的影响计算，指出在船舶使用过程中有必要根据疲劳可靠性的变化，安排针对疲劳裂纹扩展状态的检测维修工作。6)引入风险分析的概念，利用风险分析中对失效后果和检测维修耗费的处理办法，综合考虑结构的安全性和检测维修计划的经济性，研究针对疲劳裂纹的检测与维修计划制定方法，指出应用风险分析的手段，制定出的检测维修计划可以均衡的反映结构安全性要求与结构经济性要求，因此更为合理和易于接受。

论文目录:

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 本文的目的及意义

1.2 疲劳问题综述

1.2.1 疲劳问题的研究历史

1.2.2 疲劳问题在船舶海洋工程领域的发展现状

1.2.2.1 船舶与海洋工程领域疲劳载荷的研究

1.2.2.2 船舶与海洋工程领域疲劳强度分析常用方法

1.2.2.3 船舶与海洋工程疲劳性能监测与维修计划制定的进展

1.3 本文的主要工作

第2章 疲劳裂纹扩展的实验分析及应用

2.1 概述

2.2 船舶三维节点结构疲劳试验简介

2.3 疲劳裂纹稳态扩展的统计特点

2.3.1 疲劳裂纹扩展的试验数据处理

2.3.2 疲劳裂纹扩展的计算模型

2.4 疲劳裂纹扩展可靠性

2.4.1 含裂纹结构可靠性的剩余强度干涉模型

2.4.2 平台含裂纹结构的可靠性分析

2.5 基于检测事件的疲劳裂纹扩展规律贝叶斯修正

2.5.1 裂纹检测事件

2.5.2 贝叶斯定理

2.5.3 确定先验分布

2.5.4 确定似然函数

2.5.5 贝叶斯修正

2.6 修正的结构疲劳裂纹扩展寿命预报

2.7 本章小结

第3章 裂纹萌生寿命研究

3.1 概述

3.2 应力的定义

3.2.1 名义应力

3.2.2 热点应力

3.2.3 缺口应力

3.2.4 应力集中系数

3.3 疲劳损伤模型

3.3.1 S-N曲线法与线性疲劳损伤累积模型

3.3.2 应用于高周疲劳的循环应变法

3.4 实验构件裂纹萌生寿命计算

3.5 本章小结

第4章 裂纹扩展路径及寿命有限元仿真研究

4.1 概述

4.2 线弹性断裂力学基础

4.2.1 裂尖应力应变模式

4.2.2 应力强度因子

4.2.3 能量释放率

4.2.4 裂纹扩展的方向

4.2.4.1 复合型裂纹在等幅载荷下的扩展

4.2.4.2 复合型裂纹在循环载荷下的扩展

4.2.5 等幅循环载荷作用下裂纹扩展模型

4.2.5.1 I型裂纹的扩展

4.2.5.2 应力强度因子范围门槛值

4.2.5.3 I型裂纹的扩展定律

4.2.5.4 裂纹闭合与过载的影响

4.2.5.5 复合模式裂纹的扩展

4.2.5.6 复合型裂纹扩展时的门槛值范围

4.2.5.7 双轴向载荷的影响

4.2.6 线弹性断裂力学的局限

4.2.7 对所列举方法的总结

4.3 裂纹扩展的有限元模拟

4.3.1 裂尖应力强度因子的确定

4.3.2 基于裂纹扩展模拟的疲劳寿命计算

4.4 实验构件疲劳裂纹扩展有限元仿真研究

4.5 本章小结

第5章 裂纹扩展行为对船舶极限强度的影响

5.1 概述

5.2 多裂纹扩展对结构承载能力的影响

5.2.1 裂纹扩展对于结构构件的影响

5.2.2 裂纹扩展的概率模型

5.2.3 裂纹扩展对于船舶结构承载能力的影响

5.2.4 裂纹扩展影响下的船舶疲劳强度概率模型

5.3 计算实例

5.3.1 一次航程内遭遇极限海况时裂纹扩展的影响

5.3.2 船舶在全寿命期内剖面中的裂纹扩展对抗损能力的影响

5.4 本章小结

第6章 基于风险的疲劳分析及检测计划制定

6.1 概论

6.2 疲劳与裂纹扩展的概率模型

6.2.1 疲劳应力的统计特征

6.2.1.1 窄带谱载荷

6.2.1.2 宽带谱载荷

6.2.1.3 宽带谱的雨流计数

6.3 基于风险制定维修检测计划的目的

6.3.1 不确定性的影响

6.4 RBI的基本过程

6.5 后果评估

6.6 概率评估

6.7 性能衰减过程

6.8 检测模型

6.9 可接受风险指标

6.9.1 社会可接受的风险水平

6.9.1.1 通用的可接受风险指标的表示形式

6.9.1.2 利用己有资料制定可接受风险指标

6.10 基于风险的检测计划制定—疲劳裂纹扩展检测计划的制定

6.10.1 裂纹扩展作用下结构的可靠性分析

6.10.2 裂纹扩展行为的检测计划制定

6.11 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录

发布时间: 2007-08-21

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