基于失效评定图的船舶与海洋裂纹结构强度直接计算法研究

摘要

船舶与海洋结构物作为大型焊接结构，裂纹将不可避免地存在其中。因此，合理评估船舶与海洋裂纹结构的强度，可有效降低其发生断裂破坏的风险。失效评定图作为对含裂纹缺陷结构安全性评估的方法，概念直观且评估结果可靠，已受到工程界的广泛认可，并形成诸多相关规范。但是，失效评定图在船舶与海洋工程中的应用刚刚起步。
　　因此，本文以船舶与海洋裂纹结构为研究对象，将失效评定图作为研究工具，建立起高效合理的强度直接计算方法，为船舶与海洋结构的设计及服役期的检修提供理论依据和技术支撑。本文主要研究工作包括：
　　（1）根据能量释放率理论，提出了可适用于壳体单元的虚拟裂纹闭合法公式，并基于该公式开发出新型哑节点断裂单元。同时，对新单元的节点定义，刚度矩阵以及裂纹尖端局部坐标系的构建进行了描述。在具有代表性的中心裂纹板和具有周向穿透裂纹的圆柱壳模型中，验证了新型哑节点断裂单元具有操作方便、计算准确以及对网格尺寸精细度要求不高等优点。
　　（2）通过对相关规范文献中对于参考应力计算的公式进行推导，提出了基于带裂纹截面载荷和几何信息计算参考应力的统一公式。基于该公式并借助于离散的思想，提出了新型计算方法，并将其命名为虚拟截面闭合法。同时，在此基础上开发出参考应力单元。利用有限板宽中心裂纹板和具有周向穿透裂纹的圆柱壳模型，对本文提出的参考应力计算公式、虚拟截面闭合法以及参考应力单元进行了验证。结果表明，该单元同样具有计算准确以及对网格尺寸精细度要求不高等优点。
　　（3）在新型哑节点断裂单元和参考应力单元的基础上开发出失效评定单元。该单元可通过一步线弹性分析同时得到应力强度因子和参考应力，确定出断裂比和载荷比完成强度评估。使用失效评定单元对有限板宽中心裂纹板和具有周向穿透裂纹的圆柱壳模型进行强度评估。结果表明，失效评定单元在继承了计算准确、对网格尺寸不敏感等优点的同时，进一步提高了计算效率。
　　（4）为验证失效评定单元在典型船舶与海洋结构中的适用性，分别使用失效评定单元以及其他成熟的数值计算方法，对带穿透裂纹的Nishihara模型、纵向加筋圆柱壳、以及 T型圆管节点的强度进行评估。计算结果表明，失效评定单元的计算结果准确可靠，但是计算耗时相较于其他方法得到大幅减少。

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1 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 含裂纹结构强度的研究概况

1.3 工程中常用的缺陷评定方法

1.4 失效评定图的研究及应用概况

1.5 本文的主要研究内容

2 壳体单元中应力强度因子的直接计算法研究

2.1 引言

2.2 曲面上线状裂纹虚拟裂纹闭合法

2.3 新型哑节点断裂单元的开发

2.4 算例验证

2.5 本章小结

3 参考应力的直接计算法研究

3.1 引言

3.2 参考应力的统一计算公式

3.3 虚拟截面闭合法

3.4 参考应力单元的开发

3.5 算例验证

3.6 本章小结

4 失效评定单元的开发及验证

4.1 引言

4.2 失效评定单元的开发

4.3 算例验证

4.4 本章小结

5 失效评定单元在船舶与海洋结构中的适用性研究

5.1 引言

5.2 参照方法描述

5.3 典型算例验证

5.4 本章小结

6 全文总结

6.1 全文的工作及主要结论

6.2 本文工作的主要创新点

6.3 对未来工作的展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录

附录2 攻读学位期间参加的主要科研项目