含裂纹船体板和加筋板低周疲劳裂纹扩展研究

发布时间：2020-09-08 09:03

　　 船舶的大型化发展已经成为适应当今社会发展的一种趋势,船舶尺寸越大则其在恶劣海况中受到的应力水平也越大,由船舶结构疲劳断裂引起的海上事故时常发生,低周疲劳裂纹扩展问题也越来越引起重视。低周疲劳裂纹扩展研究的一个关键问题在于对其裂纹尖端应力场和张开位移场的影响因素展开分析,在研究结构疲劳寿命问题时,对其裂纹扩展速率展开分析也十分重要。大型船舶基本结构的疲劳问题应针对其不同的结构形式采用相应的研究方法。本文着重研究含裂纹船体板和加筋板的低周疲劳裂纹扩展问题,主要从以下几个方面着手研究:(1)基于弹塑性断裂力学理论,考虑循环载荷作用下裂尖区域钝化机理,对含裂纹船体板和加筋板的裂纹尖端应力应变场、张开位移场展开理论研究,从理论角度分析其影响因素。(2)基于Chaboche随动强化模型,利用有限元分析软件ABAQUS,以AH32高强度船用钢材为材料,考虑基于循环载荷下累积递增塑性对不同工况中板和加筋板裂尖区域应力场及张开位移场的影响展开分析。同时,以CT试件(compact tensile specimen)为模型,对疲劳裂纹扩展过程中的闭合效应展开分析。(3)选取多种加强筋刚度比和过载峰,分别研究不同加强筋刚度比对加筋板疲劳裂纹扩展特性的影响;同时对材料为AH32高强钢的CT试件和加筋板施加多种过载峰,分析过载峰的迟滞效应对疲劳裂纹扩展的影响。(4)引入COD-a曲线和P_(OP)-a曲线:COD-a曲线能够更加直观地反映疲劳裂纹扩展过程中的张开位移场跟裂纹长度的关系;P_(OP)-a曲线能够直观反映疲劳裂纹扩展过程中裂尖区域张开载荷变化情况。对不同工况下二者的变化趋势展开分析,同时通过这两种曲线将有限元分析结果与试验结果结合,对有限元分析的合理性进行验证。(5)利用实验室设备MTS疲劳试验机,以AH32高强度船用钢材为材料,分别开展CT试件和加筋板的静载拉伸试验、常幅低周疲劳裂纹扩展试验以及过载峰作用下的低周疲劳裂纹扩展试验,从试验角度对结构的低周疲劳裂纹扩展性能展开研究,同时通过试验方式对有限元结果进行合理性验证。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U661
【部分图文】：

1.1 研究背景与意义众所周知，随着近年来经济的发展，为适应该发展的需求，船体结构发生的变化主要有以下两个方面：一方面船体结构越来越大以满足发展的需求；另一方面越来越多的船舶采用高强钢材料来减轻船体重量。该变化趋势使得船体受到的应力应变工况也越来越大，在结构不连续或者存在缺陷的地方易产生疲劳破坏[1]。以新下水运营的 ULCS 为例，该船最大运载量为 18000 TEU，船体总长大于 300 m；相较之 20 世纪 70 年代的第 1 代集装箱船船长小于 200m，最大运载量也只有 1500TEU，到 20 世纪 80 年代的第 4 代集装箱船的运载量也只有4400TEU。作为造船和航运大国，我国大型化船舶的建造和运营量增长速度惊人，根据 2011 年中国船级社年报[2]的统计，我国船舶入级突破 5000 万总吨。船舶的大型化发展一方面促进了我国经济的增长，但是另一方面船舶大型化也对船体结构的要求更高，否则有可能产生不可估量的后果。过去三十年间，根据 IMO的统计结果，约有 700 艘大型船舶发生海难事故，其中有近 400 艘船舶发生总体断裂破坏，图 1-1 给出了 2 个船体结构总体折断的实例：

题而造成船体结构断裂的数目多于 100 艘。最近一次大型船舶疲劳断裂的海难是发生在 2013 年 6 月 17 日的“MOL Comfort”号。“MOL Comfort”号是日本三菱重工长崎造船厂于 2008 年交付完成的集装箱船，2013 年 6 月 17 日在也门外海200 英里处发生结构断裂事故。“MOL Comfort”号船长 316m、宽 46m、排水量90000t、设计载箱量为 8110TEU，“MOL Comfort”号事故是近年来较大的一起海难。“MOL Comfort”号是由造船技术先进的日本造船厂建造、采用了高强度钢材、营运仅 4 年时间的新船竟发生了事故，因此造成该事故的原因备受国际造船界及航运业界的关注。虽然目前对此次事故的具体原因没有准确结论，但是该船工作环境为恶劣海况，由波浪外载作用所引起的交变应力累积破坏可能会是造成“MOL Comfort”号船体总体断裂的一个重要原因。这是因为虽然高强度钢材具有很高的屈服强度，但对于船体结构疲劳强度并无改善，船舶结构在由波浪产生的交变载荷工况中，其塑性变形产生不断累积从而形成低周疲劳裂纹，随着低周疲劳裂纹的扩展进行，最终发生断裂破坏，图 1-2 给出了“MOL Comfort”号断裂时刻的情况。事实上，船体结构在交变载荷下的总体折断就涉及到了低周疲劳问题。

个时间范围内的 da /dN 可通过对常幅工系数由过载比和过载循环数共同决定；纹扩展的迟滞效应要比大气中的影响范测公式，如式(1-4)所示；2( )cf thcfcfdaB K KdN = Δ Δ 扩展的阻抗系数；thcfΔ K为其门槛值。ulin Zheng 得出的结论虽与 Borrego 提出作用比单调塑性区下所获得的裂纹长度分有借鉴意义。A.A.Aguilar Espinosa 等开展裂纹闭合效应和与裂纹张开应力相和低载的疲劳裂纹扩展试验。该试验使和 950 倍率的显微镜来观测动态的裂形貌图如图 1-4 所示：

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本文编号：2813979