船用球扁钢焊接节点疲劳裂纹扩展的仿真方法研究

摘要

疲劳失效是海洋工程结构物在其服役期间面临的最严峻的问题之一。球扁钢因其不对称的剖面形状被广泛地作为弱骨材而应用于船舶与海洋工程结构物中，因此精确地获得疲劳裂纹在球扁钢中的扩展数据对于结构疲劳寿命预测极为重要。目前，世界各大船级社均定义，当疲劳裂纹扩展并穿透结构面板厚度时判定结构失效。而对于剖面形状不规则的球扁钢，则难以判定其面板厚度，因此规范中一般将球扁钢等效为角钢进行疲劳评估。然而，疲劳裂纹在球扁钢与在角钢中的扩展行为的差异无法确定，因此开展船用球扁钢典型焊接节点疲劳裂纹扩展行为的仿真研究具有理论价值和现实意义。 本文主要工作如下： 1）基于有限元法实现裂纹扩展仿真。 阐述了有限元法在疲劳裂纹扩展仿真中的应用，讨论了影响有限元法仿真精度的主要数值变量。研究了计算流程、裂纹扩展步长以及裂纹扩展方向等因素对裂纹扩展过程影响的规律。针对有限元法仿真的准确性，运用FRANC3D软件，分别对单边裂纹平板试件以及中心裂纹平板试件进行了裂纹前缘应力强度因子的计算。 2）基于扩展有限元法实现裂纹扩展仿真， 详细讨论了扩展有限元法中的两类不同扩充形函数以及离散方程。分别从虚拟节点法、计算的局限性、失效准则以及计算静态裂纹和动态裂纹的区别等方面讨论了扩展有限元法在裂纹扩展数值仿真中的实现。为了得到网格密度和裂纹位置对扩展有限元法仿真计算精度的影响，运用ABAQUS软件分别对单边裂纹平板试件以及中心裂纹平板试件进行了裂纹前缘应力强度因子的计算。对中心裂纹平板试件进行了动态裂纹扩展仿真并与参考解进行对比。 3）球扁钢裂纹扩展仿真的试验验证 在介绍船用球扁钢典型节点的结构形式及其在船舶中的受力情况的基础上，分别基于有限元法以及扩展有限元法对节点中疲劳裂纹扩展进行仿真。通过有限元法获得疲劳裂纹前缘在球扁钢中扩展的形状变化历程；通过扩展有限元法获得球扁钢中的疲劳裂纹扩展速率曲线。开展全尺度船用球扁钢典型焊接节点疲劳试验，通过静力试验验证有限元模型的精确性。并且在疲劳试验过程中采用一种简单有效的方法应用应变片预测表面裂纹形状，作为多自由度扩展模型的初始裂纹。最后运用全尺度球扁钢典型焊接节点疲劳试验结果验证有限元法以及扩展有限元法仿真计算的准确性。 通过对比试验以及仿真结果，可以获得如下结论： 1）当疲劳裂纹在球扁钢上表面萌生时，裂纹形状接近于椭圆形。但是随着裂纹扩展到球扁钢侧表面处时，裂纹前缘形状逐渐转变成四分之一圆弧形。 2）将仿真结果于试验进行对比可以得出，基于有限元法以及扩展有限元法船舶复杂节点的疲劳裂纹扩展仿真是可靠的。 3）目前采用的球扁钢疲劳失效判据偏于保守。球扁钢失效准则为疲劳裂纹穿透整个球头厚度，而此时裂纹长度往往超过等效角钢的面板厚度。因此将疲劳裂纹穿透球扁钢倾斜表面作为其失效判据是合理的。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 相关研究现状及进展

1.3 全尺度模型疲劳试验

1.4 本文主要研究内容

第2章 基于FEM多自由度模型研究

2.1裂纹扩展基本理论

2.2裂纹扩展的FEM

2.3基于FEM的裂纹扩展仿真的实现

2.4 基于FEM的裂纹扩展仿真计算实例

2.5 本章小结

第3章 基于XFEM的裂纹扩展研究

3.1 XFEM的基本原理

3.2裂纹扩展仿真的XFEM

3.3 基于XFEM的裂纹扩展仿真的实现

3.4基于XFEM的裂纹扩展仿真的计算实例

3.5 本章小结

第4章 船用球扁钢焊接节点数值仿真

4.1 球扁钢典型焊接节点

4.2 基于FEM的疲劳裂纹扩展仿真

4.3 基于XFEM的疲劳裂纹扩展仿真

4.4 全尺度疲劳试验

4.5 球扁钢疲劳失效判据

4.6本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间科研工作及论文发表情况