铝合金板架结构疲劳及承载性能的试验及仿真分析

发布时间：2020-04-12 13:30

【摘要】：随着船舶向大型化发展,对结构轻量化的要求日益提高,铝合金材料因密度小(约为钢的1/3)、强度高、耐腐蚀性能优良而在船体结构中得到广泛应用。但相对钢材材料来说,铝合金材料船体结构的疲劳性能研究较少,再加上铝合金材料焊接前后性能差异较大,也给疲劳强度的评估带来很大困难。目前,国内外对铝合金结构的研究工作主要集中在标准试件、焊接接头等小尺寸试件的试验和数值仿真,对实尺度铝合金焊接结构的疲劳性能极少有开展相关的疲劳试验研究工作。本文针对实尺度铝合金板架焊接结构的疲劳及承载性能问题开展了一系列研究,得到了典型节点铝合金板架的疲劳寿命-载荷曲线,揭示了焊接缺陷和焊接方式对铝合金板架结构承载性能的影响机理。首先,针对典型节点铝合金板架结构进行了极限承载能力的试验研究,获得了铝合金板架结构的极限承载能力。基于材料的真实应力-应变曲线及对应于单元特征长度的失效应变,对典型节点铝合金板架结构的极限承载能力进行了数值仿真分析,并与试验结果进行了比较,结果吻合较好。接着,对铝合金板架焊接结构的焊缝进行了无损探伤检测,并根据检测结果按焊缝缺陷程度分成两类。依据极限承载能力试验结果将疲劳载荷分为3级,开展两类铝合金板架的疲劳试验,获得了两类铝合金板架的疲劳寿命及失效模式,阐明了焊接缺陷的存在对铝合金板架疲劳寿命及失效模式的影响规律,得到了反复载荷作用下典型节点铝合金板架的疲劳寿命-载荷曲线。最后,通过建立含不同焊接缺陷焊缝的局部有限元仿真分析模型,开展了含焊接缺陷局部结构的静力仿真分析,获得了焊接缺陷对局部结构应力场分布变化的影响规律,揭示了含焊接缺陷焊缝疲劳裂纹萌生的机理。同时通过数值仿真对三种焊接方式的极限承载能力进行了模拟,揭示了焊接方式对铝合金板架结构承载能力的影响规律。
【图文】：

结构裂纹,油轮,长度,疲劳裂纹

图 1.1 油轮结构裂纹(长度大于 1.8m)[14]图 1.2 Castro 号油船甲板裂纹(长度大约 24m)[15]实船调查结果表明，船体结构的疲劳强度是结构设计和运营过程中必须注意的问题。疲劳控制的目标是保证遭受疲劳动载荷的船体结构有足够的疲劳寿命，疲劳寿命的计算、校核相关疲劳损坏数据可以给出结构设计的基础。进一步，它们可以形成船体结构在制造和全运营寿命期内的有效检查程序。一般来说，船体结构疲劳裂纹的失效模式大致可分为四类[16]：（1）疲劳裂纹从焊趾扩展进母材，在船体焊接结构中，这是一种常见的失效模式，如图 1.3 所示；（2）疲劳裂纹从焊缝根部扩展贯通角焊缝，这是一种会导致严重后果的失效模式，如图 1.4 所示；（3）疲劳裂纹从焊缝根部进入焊接下的剖面，这在结构的运营寿命期内、疲劳试验中都可观察到，如图 1.5 所示；（4）疲劳裂纹起始于非焊接节点的自由边，，在母材中的疲劳裂纹是一种具有高应力循环次数构件的失效模式，如图 1.6 所示。

油船,甲板,裂纹,长度

图 1.1 油轮结构裂纹(长度大于 1.8m)[14]图 1.2 Castro 号油船甲板裂纹(长度大约 24m)[15]实船调查结果表明，船体结构的疲劳强度是结构设计和运营过程中必须注意的问题。疲劳控制的目标是保证遭受疲劳动载荷的船体结构有足够的疲劳寿命，疲劳寿命的计算、校核相关疲劳损坏数据可以给出结构设计的基础。进一步，它们可以形成船体结构在制造和全运营寿命期内的有效检查程序。一般来说，船体结构疲劳裂纹的失效模式大致可分为四类[16]：（1）疲劳裂纹从焊趾扩展进母材，在船体焊接结构中，这是一种常见的失效模式，如图 1.3 所示；（2）疲劳裂纹从焊缝根部扩展贯通角焊缝，这是一种会导致严重后果的失效模式，如图 1.4 所示；（3）疲劳裂纹从焊缝根部进入焊接下的剖面，这在结构的运营寿命期内、疲劳试验中都可观察到，如图 1.5 所示；（4）疲劳裂纹起始于非焊接节点的自由边，在母材中的疲劳裂纹是一种具有高应力循环次数构件的失效模式，如图 1.6 所示。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661.4

【参考文献】