基于断裂力学的船体结构疲劳评估方法

论文摘要

疲劳破坏是船舶结构的主要破坏形式之一。为了保证船舶结构有足够的疲劳强度,各国船级社、船厂等均建立了船舶结构疲劳强度校核规范作为船舶疲劳评估的指导性文件,尽管这些规范均是建立在S-N曲线方法基础上的,但由于S-N曲线方法存在自身无法克服的缺陷（如忽略材料的初始缺陷等）,对同一节点进行计算得到的疲劳寿命大相径庭。作者在基于裂纹扩展理论的基础之上研究了船舶结构疲劳强度校核方法,希望能为完善船舶结构疲劳寿命评估做参考。本文以研究基于断裂力学的船舶结构疲劳强度校核方法为主题,主要做了以下几方面的工作:（1）对国内外疲劳强度研究的发展、国内外船舶结构的疲劳强度校核研究现状进行综述。（2）介绍了基于断裂力学的疲劳评估方法,对传统的基于S-N曲线的疲劳强度校核方法也作了简要说明,指出两者之间的区别与联系。（3）给出了一套详细的基于断裂力学的船体结构疲劳评估方法,包括有限元模型的建立,载荷的确定,初始裂纹尺寸的选取,典型节点所在位置处的应力函数分布,不同形式裂纹对应的权函数,适用于工程实际的应力强度因子的求解（修正）方法,断裂判据的选取,裂纹扩展速率的计算以及含裂纹构件疲劳寿命的估算。（4）针对某目标船典型节点分别用基于断裂力学的方法和S-N曲线法校核其疲劳寿命,并将两种不同方法校核所得的疲劳寿命进行对比,结果表明本模型能给出较好的预测精度。

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 国内外疲劳强度研究综述
• 1.2.1 疲劳强度累积损伤理论的产生和发展
• 1.2.2 裂纹扩展理论的产生和发展
• 1.3 国内外船舶结构疲劳强度校核研究现状
• 1.4 船舶结构疲劳强度校核方法中存在的问题
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 船体结构的疲劳强度评估方法
• 2.1 概述
• 2.2 疲劳破坏机理
• 2.2.1 裂纹的分类
• 2.2.2 疲劳破坏的过程
• 2.3 疲劳强度的校核方法
• 2.3.1 基于S-N曲线的疲劳评估方法
• 2.3.2 基于断裂力学的疲劳评估方法
• 2.3.3 两种疲劳强度校核方法的区别与联系
• 2.4 本章小结
• 第3章 应力强度因子及断裂判据确定的方法介绍
• 3.1 概述
• 3.2 求解应力强度因子的方法
• 3.2.1 普遍形式的复变函数法
• 3.2.2 积分变换法
• 3.2.3 权函数法
• 3.2.4 应力集中系数法
• 3.2.5 叠加原理
• 3.2.6 实验法
• 3.2.7 有限元法
• 3.3 断裂判据
• 3.3.1 K判据
• 3.3.2 G判据
• 3.3.3 COD准则
• 3.3.4 J积分准则
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于断裂力学的船体结构疲劳评估新方法
• 4.1 概述
• 4.2 初始裂纹尺寸的选取
• 4.3 有限元模型
• 4.4 载荷的确定和施加
• 4.5 权函数的应用
• 4.6 节点处的应力函数分布
• 4.7 应力强度因子的求解方法
• 4.7.1 面积质心积分法
• 4.7.2 分段拟合积分法
• 4.8 裂尖积分奇异性的消除
• 4.9 应力强度因子的修正
• 4.10 断裂判据的选取
• 4.11 裂纹扩展速率的计算
• 4.12 疲劳寿命的估计
• 4.13 本章小结
• 第5章 实船算例及应用细节探讨
• 5.1 概述
• 5.2 实船算例及细节探讨
• 5.2.1 船体结构主尺度
• 5.2.2 船体结构型式
• 5.2.3 有限元模型
• 5.3 载荷的确定和施加
• 5.4 计算过程中的问题探讨
• 5.4.1 有限元模型的建立
• 5.4.2 单元应力的提取
• 5.4.3 压应力所对应应力强度因子的处理
• 5.4.4 材料常数C和m的选取
• 0和a_c'>5.4.5 实际计算中的a₀和a_c
• 5.4.6 残余应力的影响
• 5.4.7 焊趾放大系数的影响
• 5.5 校核结果及对比
• 5.5.1 甲板板及纵骨处裂纹疲劳寿命对比
• 5.5.2 顶边舱舷侧板及舷侧纵骨处裂纹疲劳寿命对比
• 5.5.3 底边舱舷侧板及纵骨处裂纹疲劳寿命对比
• 5.5.4 内底板与纵析和肋板相交处裂纹疲劳寿命对比
• 5.5.5 内底与底边舱斜板相交处裂纹疲劳寿命对比
• 5.5.6 校核结果的分析
• 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参与的科研项目
• 致谢