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船舶结构的疲劳寿命评估及动态断裂研究

作　者: 陈家旺
导　师: 王自力
学　校: 江苏科技大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 散货船外底纵骨疲劳寿命断裂力学冲击载荷动态断裂
分类号: U661.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着船舶的日趋大型化以及高强度钢在船体结构中的广泛采用,船体结构的疲劳强度评估显得越来越重要。目前,船舶结构的疲劳校核大多数是基于S-N曲线的方法。它假设材料是无缺陷的连续体,而实际材料中总是存在着裂纹或类裂纹的缺陷,因此将疲劳裂纹扩展理论应用于疲劳寿命预测已成为研究疲劳问题的发展方向。潜艇在服役过程中频繁的上浮与下潜,结构产生的不断变化的交变应力容易使得表面产生裂纹。现代战争中,舰船不可避免地会受到来自水中的非接触爆炸冲击波的作用,在冲击载荷的作用下,结构极易从裂纹处发生突然脆性断裂,造成巨大的人员伤亡和财产损失,因此研究带有表面裂纹潜艇结构在冲击载荷作用下的动态断裂已成为非常紧迫的任务。本文拟在疲劳裂纹扩展理论的基础上对船舶结构疲劳寿命展开系统的研究,希望能为将疲劳裂纹扩展理论纳入船舶结构疲劳强度校核规范之中提供参考。本文主要研究工作如下:(1)基于疲劳裂纹扩展理论,在有限元应力计算结果的基础上,运用MSC.Fatigue软件中Growth模块,对一散货船外底纵骨与横舱壁和横框架连接节点处进行系统的疲劳寿命分析,并探讨了不同的裂纹形状比对疲劳寿命的影响,最后初步探讨了底部砰击载荷对疲劳寿命的影响。(2)运用有限元分析软件ANSYS建立带有表面裂纹的锥柱结合壳模型,以断裂动力学为理论基础,分别研究了潜艇不同下潜深度,不同爆心到潜艇的距离R及不同爆点与潜艇相对位置的冲击波载荷作用下的动态应力强度因子(DSIF),分析动态应力强度因子最大值随冲击因子的变化规律,然后以921A钢为例对该冲击载荷作用下潜艇锥柱结构是否发生失稳断裂作初步判断。通过本文的研究得出的结论如下:(1)随着载荷循环次数的增长,裂纹扩展速率逐渐加快,在裂纹扩展的初期阶段速率较低,其扩展寿命占据了整个寿命的大部分;焊趾在横舱壁处的疲劳寿命比横框架处的寿命长,纵骨上软趾处疲劳寿命要比通焊孔焊缝趾端处的疲劳寿命短;(2)不同的裂纹形状比对疲劳寿命的影响很大,相同的初始裂纹尺寸,随着a/c的增大,疲劳寿命增加;(3)考虑砰击载荷对疲劳寿命的影响很大,因此在船体结构疲劳寿命分析中应计入砰击载荷的影响。(4)对于相同下潜深度和相同冲击载荷作用方式,不同爆心到船壳距离R,动态应力强度因子的振荡形式是相似的,而且随着爆心距离船壳越近,裂纹尖端处的动态应力强度因子越大。(5)动态应力强度因子最大值随着冲击因子的增大而增大,近似为线性关系,不同下潜深度,相同的冲击波载荷,相同的作用方式,下潜越深裂纹尖端处的动态应力强度因子最大值越大。(6)对于相同下潜深度,冲击载荷作用于轴向比作用于周向的振荡更剧烈,幅度更大而且趋于稳定需要的时间长,对结构的影响也更大,随着冲击因子的增大,不同冲击载荷作用方式下的最大动态应力强度因子差值也逐渐变大。(7)对于921A潜艇用钢在静水压力作用下,正常服役的过程中不会发生突然脆性断裂,而在冲击载荷作用下,下潜100m且R=50m、100m和下潜300m时可以初步判断该结构会发生失稳断裂。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-16
第一章绪论  16-24
  1.1 研究背景与意义  16-18
    1.1.1 船体结构疲劳研究背景与意义  16-17
    1.1.2 动态断裂研究背景与意义  17-18
  1.2 国内外研究方法和现状  18-22
    1.2.1 船体结构疲劳研究方法和现状  18-20
    1.2.2 动态断裂研究方法和现状  20-22
  1.3 本文主要工作和创新点  22-24
    1.3.1 本文主要工作  22-23
    1.3.2 本文的创新点  23-24
第二章断裂力学基本理论  24-31
  2.1 引言  24
  2.2 线弹性断裂力学基本理论  24-28
    2.2.1 线弹性断裂力学概述  24-25
    2.2.2 断裂模式  25-26
    2.2.3 裂纹尖端附近的应力场和位移场  26-27
    2.2.4 应力强度因子  27-28
  2.3 断裂动力学基本理论  28-29
    2.3.1 断裂动力学概述  28
    2.3.2 动态应力强度因子  28
    2.3.3 动态应力强度因子的求解原理  28-29
    2.3.4 裂纹动态起始扩展判断  29
  2.4 本章小结  29-31
第三章船体结构的疲劳强度评估方法  31-38
  3.1 引言  31
  3.2 S-N 曲线法  31-33
    3.2.1 S-N 曲线  31-32
    3.2.2 疲劳累积损伤理论  32-33
  3.3 断裂力学法  33-36
    3.3.1 疲劳裂纹扩展速率  33-35
    3.3.2 疲劳裂纹扩展寿命的估算  35-36
  3.4 两种疲劳强度校核方法的区别与联系  36-37
  3.5 本章小结  37-38
第四章散货船外底纵骨疲劳寿命实例分析  38-63
  4.1 引言  38
  4.2 纵骨穿越横框架连接节点损伤情况调查  38-39
  4.3 疲劳校核部位选取  39-41
  4.4 有限元分析模型  41-46
    4.4.1 实船资料  41-42
      4.4.1.1 船体结构主尺度  41
      4.4.1.2 船体结构型式  41-42
    4.4.2 有限元模型  42-44
      4.4.2.1 坐标系  42
      4.4.2.2 有限元模型建立  42-44
      4.4.2.3 细化网格模型  44
    4.4.3 边界条件  44-45
    4.4.4 工况定义  45-46
  4.5 疲劳载荷  46-50
    4.5.1 船体梁载荷  46-48
      4.5.1.1 垂向波浪弯矩  47
      4.5.1.2 水平波浪弯矩  47
      4.5.1.3 垂向波浪剪力  47-48
      4.5.1.4 波浪扭矩  48
    4.5.2 海水动压力  48-49
    4.5.3 舱内货物压力  49-50
      4.5.3.1 干散货引起的惯性压力  49
      4.5.3.2 液体引起的惯性压力  49-50
  4.6 疲劳裂纹扩展分析  50-61
    4.6.1 材料特性  50-51
    4.6.2 设置求解参数  51-52
    4.6.3 初始裂纹尺寸选取  52
    4.6.4 疲劳载荷块定义  52-53
    4.6.5 裂纹形状比a/c=0.5 时的疲劳寿命  53-55
    4.6.6 不同裂纹形状比对疲劳寿命的影响  55-57
    4.6.7 底部砰击载荷对疲劳寿命的影响初探  57-60
      4.6.7.1 砰击载荷研究概述  57-58
      4.6.7.2 设计船底砰击压力  58-59
      4.6.7.3 结果分析  59-60
    4.6.8 焊接残余应力对疲劳寿命的影响  60-61
  4.7 本章小结  61-63
第五章冲击载荷下含表面裂纹潜艇典型结构的动态断裂研究  63-84
  5.1 引言  63
  5.2 潜艇锥柱结合壳疲劳热点区域的确定  63-65
    5.2.1 锥柱结合壳有限元模型的建立  63-64
    5.2.2 边界条件  64
    5.2.3 有限元应力分析  64-65
  5.3 瞬态动力学分析  65-66
    5.3.1 瞬态动力学概述  65-66
    5.3.2 运动方程与逐步积分法  66
  5.4 带有初始裂纹的潜艇锥柱结合壳有限元模型的建立  66-69
    5.4.1 初始裂纹尺寸  66-67
    5.4.2 三维奇异裂纹单元  67-68
    5.4.3 网格划分  68-69
  5.5 冲击载荷的确定  69-71
    5.5.1 冲击波  69-70
    5.5.2 冲击因子  70-71
  5.6 计算结果分析  71-83
    5.6.1 工况定义  71-72
    5.6.2 动态应力强度因子分析  72-81
      5.6.2.1 动态应力强度因子—工况1  72-74
      5.6.2.2 动态应力强度因子—工况2  74-76
      5.6.2.3 动态应力强度因子—工况3  76-79
      5.6.2.4 动态应力强度因子—工况4  79-81
    5.6.3 动态应力强度因子最大值与冲击因子的关系  81-82
    5.6.4 动态断裂判断  82-83
  5.7 本章小结  83-84
第六章总结与展望  84-86
  6.1 本文的主要工作  84
  6.2 本文的主要结论  84-85
  6.3 进一步研究的工作展望  85-86
参考文献  86-90
攻读硕士学位期间发表的论文  90-91
致谢  91-92
详细摘要  92-96

船舶结构的疲劳寿命评估及动态断裂研究

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