典型船体拐角结构的疲劳评估方法研究

摘要

船舶与海洋结构物通是由大量的板与各种骨材、桁材焊接而成，其焊接处利用肘板等加强构件以满足强度要求，致使结构存在锋利的拐角。在受载情况下，这些拐角处存在应力集中现象，即具有奇异性（应力为无穷大），易萌生裂纹，并在交变载荷作用下不断扩展，直至结构断裂破坏，因此研究拐角区域的应力集中至关重要。
　　（一）奇异强度理论背景研究，针对拐角处应力集中问题，考虑常用规范外插法中外插点的位置只与板厚有关或为固定值，而不取决于结构的尺寸，论文将提出无需有限元分析的简单方法。通过对奇异点处应力场特点的分析，并结合裂纹尖端场的应力函数，深入研究Williams、Gross&Mendelson、Lazzarin&Livieri等基于切口应力强度因子理论简化的应力函数，引入应用“奇异强度as”概念来计算“奇异应力”的方法，同时寻找应力分布与结构尺寸的关系，最终提出“奇异强度理论”新方法。
　　（二）奇异强度理论核心研究，利用ANSYS数值模拟及MathCAD数据处理，基于切口应力强度理论，研究薄板135°拐角结构和直角结构的奇异性应力分布、应力集中、应力强度及结构的疲劳特性，分析得到与结构几何尺寸关联的“奇异强度”关系式，并基于此分别给定计算SIF的“奇异权函数法”和“奇异等效裂纹法”的研究方法及经验公式。进而应用Paris裂纹扩展法则进行结构奇异强度疲劳特性评估，同时结合S-N曲线分析拐角节点处的应力集中，得到与结构尺寸相关的“奇异应力集中系数”表达式。然后针对切口应力，提出可应用于有限元结果分析的“奇异应力等效取值法”。
　　（三）奇异强度理论展望研究，分析二维结构拐角处的应力场，通过研究4种结构及不同方向上的应力分布，得到薄板结构135°拐角方案最佳。然后针对6种典型三维结构的8处拐角，分别研究在拉伸载荷工况、弯矩载荷工况及共同加载工况下激励裂纹萌生的各向应力分布，得到各种结构适用的最佳方案。为接下来将奇异强度理论应用于典型三维结构做展望性研究。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 典型结构拐角应力场研究现状（线弹性）

1.3主要研究内容及方案

第2章 疲劳评估原理与方法

2.1 引言

2.2 S-N曲线法

2.3 线弹性断裂力学法

2.4 薄板中心裂纹的SIF有限元方法探讨

2.5 本章小结

第3章 奇异强度理论的疲劳评估新方法

3.1 引言

3.2 奇异点探讨

3.3 裂纹尖端场奇异性

3.4 拐角应力场奇异性

3.5 奇异强度理论新方法

3.6 本章小结

第4章 薄板结构拐角处疲劳评估方法研究

4.1 概述

4.2 薄板135°拐角结构的奇异强度疲劳评估

4.3 薄板直角结构的奇异强度疲劳评估

4.4 本章小结

第5章 船体典型结构拐角处应力分布比较研究

5.1 概述

5.2 二维结构拐角处的应力分布比较

5.3 三维结构拐角处的应力分布比较

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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