加筋板裂纹扩展概率模型与船体结构可靠性分析

摘要

在世界经济一体化进程不断推进和全球低碳经济发展要求日益提高的背景下，船舶结构的大型化和船体结构高强钢的广泛应用，使船舶结构疲劳问题尤为突出。目前各国船级社普遍采用的基于线性累计损伤理论的S-N曲线法主要针对完整结构进行评估，而对已经含有裂纹的缺陷对象关注较少。随着断裂力学的发展以及船舶结构疲劳评估精度要求的不断提高，近年来以结构疲劳裂纹扩展理论为基础的疲劳评估方法成为研究热点。 本文对含有初始裂纹的船体加筋板结构疲劳裂纹扩展特性进行了一系列研究，开展了拉伸和弯曲载荷作用下含组合裂纹加筋板结构的裂纹扩展试验，采用有限元数值模拟与理论模型相结合的方式，对不同载荷作用下加筋板结构裂纹扩展行为进行模拟，给出加筋板裂纹扩展的概率模型，旨在建立基于加筋板裂纹扩展对船体梁总弯曲强度影响的船体梁结构可靠性分析方法。为此，本文开展了如下研究工作： （1）从材料拉伸力学性能试验和材料标准试样裂纹扩展速率试验入手，研究材料疲劳裂纹扩展的基本规律，试验的基本方法，探索裂纹观测新手段。采用递增多项式法和最小二乘法对试验数据进行拟合，得到了材料裂纹扩展参数及其统计特征。同时，讨论了试样厚度对应力强度因子计算结果的影响，总结了试验载荷设计、试样尺度选择等方面应遵循的规律和注意的事项。 （2）针对带板和腹板含组合初始裂纹的船体加筋板结构，进行了一系列拉伸和弯曲载荷作用下疲劳裂纹扩展试验，重点研究了拉伸和弯曲载荷作用下含组合裂纹加筋板结构疲劳裂纹扩展规律，明确了两种载荷下加筋板带板裂纹和腹板裂纹扩展长度关系，并给出了二者线性关系表达式。同时，对试验过程中试样设计、参数选择、可行性验证等方面进行了详细的讨论，给出了加筋板裂纹扩展试验方案设计和实施的一般流程。 （3）基于线弹性断裂力学理论和有限元数值方法，对含组合裂纹加筋板裂纹扩展过程进行了模拟。讨论了焊接残余应力在裂纹扩展过程中的作用，采用Faulkner模型对结构中残余应力分布进行了模拟。以 Paris公式为基础，考虑焊接残余应力对应力强度因子计算及裂纹扩展速率的影响，结合APDL参数化设计语言开发了适用于不同几何尺度和载荷形式的加筋板结构疲劳裂纹扩展数值模拟程序模块。 （4）建立了拉伸、弯曲和拉弯组合载荷作用下含组合裂纹加筋板结构疲劳裂纹扩展的概率模型。以船舯剖面一系列加筋板结构为研究对象，采用蒙特卡洛仿真技术对加筋板裂纹扩展进行了模拟，在单个加筋板裂纹扩展数值模拟程序模块的基础上，开发了基于Fortran语言和APDL语言编写的CrackGo计算程序，计及初始裂纹尺寸、加筋板应力强度因子几何修正系数、材料裂纹扩展参数等不确定性的影响，对船舯剖面各加筋板裂纹扩展过程进行了模拟。 （5）提出了疲劳裂纹扩展问题与船体局部加筋板强度和船体梁结构整体安全性相关联的概念。在不同载荷作用下加筋板疲劳裂纹扩展概率模型的基础上，结合采用失效评定技术确定的临界裂纹尺寸，建立了不同载荷作用下考虑裂纹扩展影响的加筋板结构可靠性分析方法。开发了随裂纹扩展长度变化自动更新船体梁剖面模数、中和轴位置及载荷大小的计算程序CrackGo-Pro，实现了对船体梁结构剖面模数的实时计算。给出了考虑加筋板裂纹扩展影响的船体梁结构极限状态方程，计及临界剖面模数的不确定性，建立了考虑加筋板裂纹扩展对总弯曲强度影响的船体梁结构可靠性分析方法。 本文作为国家自然科学基金项目研究的主要内容，基于断裂力学理论，重点关注了含有初始裂纹的船体加筋板结构疲劳裂纹扩展问题，将有限元数值计算与可靠性理论相结合，建立了考虑加筋板裂纹扩展对船体梁总弯曲强度影响的船体结构可靠性分析方法。与传统基于线性累积损伤理论的 S-N曲线方法将完整结构裂纹萌生寿命作为疲劳寿命的评估思想相比，这种评估方法更加符合船舶结构实际作业中的真实破坏模式。同时也可为船舶服役期间，结构的检测与维修提供有价值的数据参考，有效的提高船舶运营维护的经济性和安全性。由此可见，研究以断裂力学和可靠性理论为基础的船体结构可靠性评估方法具有重要的实用价值和广泛的发展前景。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 本文研究工作的目的与意义

1.2 基于裂纹扩展理论的加筋板结构研究现状

1.3 基于可靠性理论的船舶结构疲劳研究现状

1.4 基于断裂力学的船舶结构裂纹扩展研究方面存在的问题

1.5 本文主要工作

1.6 本文创新点

第2章 船用钢材疲劳裂纹扩展特性试验研究

2.1 概述

2.2 材料拉伸力学性能试验

2.3 材料疲劳裂纹扩展速率试验

2.4 材料疲劳裂纹扩展速率公式

2.5 厚度效应与试验设计

2.6 本章小结

第3章 船体加筋板疲劳裂纹扩展特性试验研究

3.1 概述

3.2 加筋板裂纹扩展速率试验设计流程

3.3 拉伸载荷下加筋板疲劳裂纹扩展试验设计

3.4 拉伸载荷下加筋板疲劳裂纹扩展试验结果分析

3.5 弯曲载荷下加筋板疲劳裂纹扩展试验设计

3.6 弯曲载荷下加筋板疲劳裂纹扩展试验结果分析

3.7 本章小结

第4章 含组合裂纹加筋板疲劳裂纹扩展数值模拟方法

4.1 概述

4.2 考虑残余应力的组合裂纹扩展数值模拟流程

4.3 含中心裂纹平板结构裂纹扩展模拟方法

4.4 焊接残余应力下应力强度因子的模拟方法

4.5 含组合裂纹加筋板裂纹扩展模拟方法

4.6 含组合裂纹加筋板裂纹扩展数值模拟结果

4.7 本章小结

第5章 加筋板疲劳裂纹扩展概率模型研究

5.1 概述

5.2 加筋板结构几何修正系数计算

5.3 加筋板结构疲劳载荷计算

5.4 蒙特卡洛法模拟加筋板疲劳裂纹扩展

5.5加筋板疲劳裂纹扩展概率模型建立

5.6 本章小结

第6章 基于裂纹扩展的加筋板及船体梁结构可靠性研究

6.1 概述

6.2 结构可靠度分析方法

6.3 基于裂纹扩展的含组合裂纹加筋板结构可靠度分析

6.4 基于裂纹扩展的船体梁结构可靠性分析

6.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录A：船舯剖面加筋板类型及几何尺度对照表

附录B：船舯剖面加筋板类型载荷计算结果

附录C：船舯剖面各加筋板几何修正系数参数拟合结果