组合载荷下船体加筋板疲劳裂纹扩展研究

摘要

结构疲劳强度是船体结构性能的重要指标之一，采用断裂力学方法分析船体结构疲劳强度受到越来越多的关注。目前，基于断裂力学的船体结构疲劳强度计算评估通常只考虑单一载荷作用，但在实际航行过程中，船体的骨材往往在承受波浪引起的总体载荷的同时还会受到货物压力和设备压力等局部载荷的作用，此时，骨材受到的载荷形式不是单一载荷，而是拉-弯组合载荷。为合理有效的分析加筋板在拉-弯载荷下的疲劳强度，本文对加筋板结构在拉-弯载荷下的裂纹扩展机理和规律进行了研究，主要内容如下:
　　(1)总结现阶段常用的裂纹扩展分析方法，分析几种裂纹扩展速率模型和断裂判据的特点，对比不同应力强度因子计算方法之间的优劣，选用Paris模型作为之后的拉-弯载荷下裂纹扩展数值分析和试验研究的扩展模型。
　　(2)研究适用于拉-弯载荷下加筋板裂纹尖端的应力强度因子的计算方法。通过定义合理的边界条件和载荷形式，分析残余应力对应力强度因子的影响，采用基于ANSYS的有限元方法进行应力强度因子计算，为试验分析提供数值支持。
　　(3)进行拉-弯组合载荷作用下加筋板疲劳裂纹扩展试验。通过试验手段研究疲劳裂纹在不同相位差拉-弯载荷作用的扩展规律，得出相应的a-N曲线，并与数值计算结果进行对比，验证数值方法的准确性。
　　(4)将数值方法用于实船骨材疲劳强度校核中。计算不同长度裂纹尖端应力强度因子，分析骨材的疲劳裂纹扩展过程，最终评估得到目标骨材的疲劳寿命。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的意义

1．2 疲劳分析方法简述

1．3 断裂力学理论背景以及研究现状

1．4 裂纹扩展试验简述

1．5 本文主要工作

第2章 疲劳裂纹扩展基本理论

2．1 概述

2．2 疲劳破坏机理

2．2．1 裂纹的分类

2．2．2 疲劳破坏过程一般规律

2．3 应力强度因子计算方法分析

2．3．1 经验公式法

2．3．2 有限元法

2．3．3 权函数

2．4 疲劳裂纹扩展速率模型

2．4．2 Forman模型

2．5 断裂判据

2．5．1 K判据

2．5．2 G判据

2．5．3 COD判据

2．5．4 J判据

2．6 本章小结

第3章 组合载荷下应力强度因子数值计算方法研究

3．1 概述

3．2 残余应力对应力强度因子计算影响分析

3．3 数值分析模型

3．3．1 模型尺寸

3．3．2 边界条件与加载方式

3．3．3 残余应力模型

3．3．4 载荷相位差的模拟方法

3．4 结果分析

3．5 本章小结

第4章 加筋板裂纹扩展试验

4．1 概述

4．2 加筋板试件基本尺寸与试验设备简介

4．2．1 加筋板试件基本尺寸

4．2．2 试验加载设备

4．2．3 数据采集

4．3．1 加载方式

4．3．2 边界条件

4．4 试验工况

4．5 结果分析

4．6 疲劳裂纹扩展参数选取

4．7 FEA结果与试验结果对比分析

4．7．1 试验边界条件和加载方式的实现

4．7．2 数值计算结果与有限计算结果对比

4．8 裂纹相关性与基于相关性的相位差影响研究

4．9 本章小结

第5章 实船算例

5．1 概述

5．2 计算目标船基本参数

5．3 计算骨材的选取

5．4 边界条件与计算载荷

5．5 计算结果

5．6 本章小结

总结与结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢