基于累积递增塑性破坏的船体板低周疲劳强度研究

摘要

船舶结构的疲劳强度对船舶的安全性和生命力有着十分重要的意义。目前船体结构疲劳强度的研究开展较多的主要是高周疲劳，成果及应用也基本是针对高周疲劳的。近年来随着船舶主尺度的不断加大，采用的高强度钢越来越多，船舶结构所受的应力及变形也越来越大，使得大型船舶结构的低周疲劳损伤问题显得十分突出，成为大型化船舶发展中亟待解决的关键性问题。研究分析表明，大多船体结构的断裂破坏往往是低周疲劳破坏与递增塑性破坏两种破坏模式耦合作用的结果。因此，基于累积递增塑性破坏的结构低周疲劳分析能够更为符合实际地评估船体结构的低周疲劳断裂。本文从理论分析、数值模拟和实验研究三方面对船体缺损板低周疲劳寿命开展了研究。
　　首先，基于累积递增塑性破坏理论建立了船体缺口板低周疲劳裂纹萌生寿命的理论解。结合Newton-Raphson迭代法推导了低循环高应力非对称循环载荷下的船体缺口板缺口根部的累积递增塑性变形，并求得了船体缺口板在累积递增塑性破坏下的切线刚度理论解。另外，在低周疲劳裂纹萌生至临界长度阶段中，运用短裂纹理论对缺口根部疲劳应力集中系数进行了理论修正，体现了短裂纹的出现对船体缺口板低周疲劳裂纹萌生寿命的影响。同时，采用具有特征缺口半径和低周疲劳裂纹长度的船体缺陷试样开展了实验，对低周疲劳载荷作用下船体缺口板的累积递增塑性变形规律及疲劳裂纹萌生寿命进行实验研究。在低周疲劳裂纹萌生寿命分析中，通过引入短裂纹的影响对缺口根部疲劳应力集中系数的理论修正，全面考虑了缺口根部的累积递增塑性破坏和短裂纹影响的低周疲劳裂纹萌生寿命。结果表明本文理论分析方法更能接近实验值。同时也对不同平均应力及应力幅下的船体缺口板缺口根部累积递增塑性破坏变化规律进行了研究，得到有价值的理论分析结果。
　　其次，通过理论分析提出了船体缺口裂纹板低周疲劳裂纹扩展速率预测模型、并进行了验证对比研究。同时对船体缺口裂纹板在常幅低周疲劳载荷作用下裂纹尖端应力应变场进行了理论研究分析，得到了疲劳裂纹尖端存在着的累积递增塑性破坏的变化机理和影响因素。研究中通过在常幅低周疲劳加载中引入单个拉伸/压缩过载形式，研究了变幅载荷下低周疲劳裂纹扩展速率预测模型的适用性。通过理论分析、数值模拟和实验研究途径，发现提出的预测模型能很好的预估不同加载条件和过载类型的变幅低周疲劳载荷作用下(包括常幅和变幅载荷)，船体裂纹板疲劳裂纹扩展速率和寿命。通过与裂纹扩展实验结果对比，各种条件下的预测结果和实验均十分吻合，能够定量的预测过载引起的各个阶段的低周疲劳裂纹扩展速率。
　　研究表明，在低周疲劳载荷作用下裂纹尖端存在明显的累积递增塑性破坏现象，以及其对低周疲劳寿命的重要影响。因此，基于裂纹尖端累积递增塑性破坏对低周疲劳载荷作用下中心穿透裂纹板以及三维表面裂纹板CTOD进行了研究，为合理评估带裂纹损伤的船体板的断裂韧性提供了新的评估方法和技术手段。
　　本研究工作基于累积递增塑性对船体低周疲劳强度全面开展理论、实验及数值分析研究，所得研究结果可以更确切地分析评估船体在极值海况下的低周疲劳破坏，为评估船体结构的低周疲劳强度理论分析与应用提供理论依据及可靠的分析方法，为疲劳强度进行了有益的探索。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 累积递增塑性破坏研究现状

1.4 裂纹尖端张开位移(CTOD)研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 基于累积递增塑性破坏的缺口板低周疲劳裂纹萌生寿命研究

2.1 引言

2.2 理论分析

2.3 船体缺口板低周疲劳裂纹萌生寿命

2.4 有限元模拟及结果讨论

2.5 低周疲劳裂纹萌生寿命预测结果

2.6 本章小结

第3章 基于累积递增塑性破坏的船体裂纹板常幅低周疲劳裂纹扩展寿命研究

3.1 引言

3.2 理论基础

3.3 有限元分析

3.4 低周疲劳裂纹扩展速率及寿命预测

3.5 本章小结

第4章 基于累积递增塑性破坏的船体裂纹板变幅低周疲劳裂纹扩展寿命研究

4.1 引言

4.2 考虑累积塑性影响的低周疲劳裂纹扩展预测模型

4.3 有限元分析

4.4 低周疲劳疲劳裂纹扩展速率预测

4.5 疲劳裂纹扩展寿命预测

4.6 本章小结

第5章 船体缺口板低周疲劳裂纹萌生寿命试验研究

5.1 引言

5.2 试验方法

5.3 试验控制方式及结果分析

5.4 试验断口分析

5.5 本章小结

第6章 基于累积递增塑性破坏的船体裂纹板低周疲劳裂纹扩展试验研究

6.1 引言

6.2 试验分析

6.3 常幅低周疲劳载荷下试验工况及结果分析

6.4. 变幅低周疲劳载荷下试验工况及结果分析

6.5 本章小结

第7章 低周疲劳载荷下基于累积递增塑性破坏的穿透裂纹板CTOD研究

7.1 引言

7.2 理论分析

7.3 有限元分析

7.4 确定循环载荷下CTOD与裂纹尖端累积递增塑性应变的

7.5 本章小结

第8章 低周疲劳载荷下基于累积递增塑性破坏的表面裂纹板CTOD研究

8.1 引言

8.2 理论分析

8.3 模型及材料特性

8.4 影响因素及讨论

8.5 循环载荷下表面裂纹板的CTOD评估方程

8.6 本章小结

第9章 结论与展望

9.1 全文总结

9.2 论文的创新结果

9.3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的科研工作