考虑雨流计数的频域疲劳计算方法
发布时间：2021-09-09 15:33
随着船舶与海洋工程结构物日渐趋于深海化、大型化,以及高强钢的广泛使用,结构的疲劳问题日益严重。理论成熟,能够考虑波浪载荷的随机性,计算用时较少的谱分析方法被广泛应用于船舶与海洋工程的疲劳分析中。而时域分析方法能计及砰击、颤振等非线性效应,并能模拟得到船舶结构在真实海况下的热点应力时间历程,提高了结构疲劳损伤计算的精度,但同时也降低了计算速度,难以计算所有海况。本文提出一种结合频域与时域计算方法的考虑雨流计数的频域疲劳谱分析计算方法,以提高疲劳损伤谱分析计算的精度,同时避免时域分析方法中耗费较长的计算时间。本文的主要研究内容有:（1）应用频域水动力计算及频域有限元计算获取船舶六个节点的热点应力响应幅值算子,并根据海浪谱以及波浪散布图获取热点应力功率谱密度,应用谱分析方法计算各热点在全球波浪散布图下的疲劳累积损伤值。通过对比各个海况下的累积损伤值,探讨了不同海况对结构疲劳损伤值的影响。根据计算结果的对比研究雨流修正系数等参数对谱分析疲劳损伤结果的影响。（2）通过时域计算方法获取船舶在三个设定海况下的热点应力随时间变化历程,运用雨流计数法及S-N曲线法计算各热点的累积损伤值。开展了波浪载荷分...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
VFB平台已修补的疲劳节点（右）及FEA应力云图（左）
1.2 国内外研究现状在现有的实践中，疲劳损伤计算一般基于谱分析方法，数值解以及时域分析方法。在实际工程中应用何种方法主要依据获取结构应力的形式以及耗时。当结构应力难以获取或耗时较长时，一般采用谱分析方法进行评估，如船舶结构中，其应力响应时间历程较难获取。当时间历程计算较为方便时，一般采用时域计算方法；时域分析方法还能考虑疲劳分析过程中一些非线性行为，如由于系泊所产非线性影响等。1.2.1 频域谱分析方法频域谱分析方法的流程如图 1-2 所示。该方法先根据船舶的水动力计算以及有限元计算获取结构应力响应的功率谱密度函数（PowerSpectralDensity,PSD），根据所选的分布形式确定结构应力的分布，选择合适的 S-N 曲线计算该结构的累积损伤值。
结构应力的 PSD 通过水动力计算以及有限元计算得到的频率响应算子（RAO）与波浪谱结合获取，而应力范围的分布则根据随机过程的相关理论来完成。早期的研究是对应力峰值进行统计的，假设某一个海况中交变应力为零均值的理想窄带随机过程，那么其应力峰值符合瑞利分布[10]，应力每次跨零则出现一对峰谷值，此时的应力范围近似为应力峰值的 2 倍，因此应力范围也服从瑞利分布。根据此特性，Bendat 及 Miles[11, 12]等人给出了疲劳损伤的解析解，但该解析解仅适用于理想窄带的高斯过程。虽然船舶与海洋工程结构中所受的交变应力过程往往是一个宽带过程[13]，但在实际计算中为了方便，常常近似地采用瑞利分布模型，用一个标准差 σx和跨零率 f0与原过程相同的窄带过程来近似替换原有的宽带过程，如图 1-3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国钢结构疲劳研究领域的30年进展[J]. 雷宏刚,付强,刘晓娟. 建筑结构学报. 2010(S1)
[2]船舶结构疲劳强度校核研究现状及我国的进展[J]. 崔维成,蔡新刚,冷建兴. 船舶力学. 1998(04)
硕士论文
[1]疲劳裂纹扩展速率的厚度效应研究[D]. 董岩.武汉理工大学 2014
[2]江海直达船砰击弯矩研究[D]. 刘正国.武汉理工大学 2013
[3]船舶波浪载荷水弹性分析及对疲劳强度影响[D]. 赵南.哈尔滨工程大学 2011
本文编号：3392343
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
VFB平台已修补的疲劳节点（右）及FEA应力云图（左）
1.2 国内外研究现状在现有的实践中，疲劳损伤计算一般基于谱分析方法，数值解以及时域分析方法。在实际工程中应用何种方法主要依据获取结构应力的形式以及耗时。当结构应力难以获取或耗时较长时，一般采用谱分析方法进行评估，如船舶结构中，其应力响应时间历程较难获取。当时间历程计算较为方便时，一般采用时域计算方法；时域分析方法还能考虑疲劳分析过程中一些非线性行为，如由于系泊所产非线性影响等。1.2.1 频域谱分析方法频域谱分析方法的流程如图 1-2 所示。该方法先根据船舶的水动力计算以及有限元计算获取结构应力响应的功率谱密度函数（PowerSpectralDensity,PSD），根据所选的分布形式确定结构应力的分布，选择合适的 S-N 曲线计算该结构的累积损伤值。
结构应力的 PSD 通过水动力计算以及有限元计算得到的频率响应算子（RAO）与波浪谱结合获取，而应力范围的分布则根据随机过程的相关理论来完成。早期的研究是对应力峰值进行统计的，假设某一个海况中交变应力为零均值的理想窄带随机过程，那么其应力峰值符合瑞利分布[10]，应力每次跨零则出现一对峰谷值，此时的应力范围近似为应力峰值的 2 倍，因此应力范围也服从瑞利分布。根据此特性，Bendat 及 Miles[11, 12]等人给出了疲劳损伤的解析解，但该解析解仅适用于理想窄带的高斯过程。虽然船舶与海洋工程结构中所受的交变应力过程往往是一个宽带过程[13]，但在实际计算中为了方便，常常近似地采用瑞利分布模型，用一个标准差 σx和跨零率 f0与原过程相同的窄带过程来近似替换原有的宽带过程，如图 1-3 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]中国钢结构疲劳研究领域的30年进展[J]. 雷宏刚,付强,刘晓娟. 建筑结构学报. 2010(S1)
[2]船舶结构疲劳强度校核研究现状及我国的进展[J]. 崔维成,蔡新刚,冷建兴. 船舶力学. 1998(04)
硕士论文
[1]疲劳裂纹扩展速率的厚度效应研究[D]. 董岩.武汉理工大学 2014
[2]江海直达船砰击弯矩研究[D]. 刘正国.武汉理工大学 2013
[3]船舶波浪载荷水弹性分析及对疲劳强度影响[D]. 赵南.哈尔滨工程大学 2011
本文编号：3392343
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