基于奇异强度理论的船体焊接接头应力场和疲劳强度评估

摘要

众所周知，焊接构件和结构在几何上的不连续性会造成局部应力场的激增。在船舶与海洋工程领域，结构具有的抗外载损伤能力是满足其经济性和改善结构强度的最根本的指标。板、加强筋和肘板组成了船体最为常见和简单的板梁结构。拐角处的应力集中，造成了应力奇异效应，在交变应力下，引起裂纹的萌生和扩展。因此，了解焊接件几何不连续位置的应力场分布情况，是试件进行精确设计的前提。
　　本文所开展的主要工作以及结论归纳如下：
　　（1）基于切口应力强度理论，引入了奇异强度值‘as’的概念，提出了评估135°切口应力场分布(σθⅠ,和σθⅡ,)的简便算法，通过对一系列十字形模型的数值拟合，回归了简易的应力场评估公式，可以适应于不同的几何模型。之后，将应力表达式的预估结果同 N-SIF公式结果及有限元结果作了对比分析，结果表明该公式可以简单、准确的描述焊接接头处的应力场。
　　（2）传统的名义应力方法或 S-N曲线法，是目前疲劳设计规范中预估焊接件疲劳强度最为基本的方法。该方法是基于设计的名义应力，却没有明确地考虑节点位置应力的不连续性。传统的名义应力法虽方便运用，但是对于复杂的焊接接头却很难找到与之匹配的接头类型；而且当外载很复杂时，会很难或者根本不可能求得相应的名义应力。在焊接拐角处，应力奇异使得基于弹性应力峰值的失效准则不再适用，为此，本文提出了一种采用奇异强度值‘as’来预估焊接拐角处应力场及N-SIFs值的简易方法，并采用切口处N-SIFs值来预估焊接件的结构强度和疲劳强度。通过验证表明，该方法可以简单快捷的评估复杂焊接接头的疲劳强度。
　　（3）和名义应力不同，热点应力方法（也被称作结构应力或几何应力）充分考虑了关键点或热点位置的应力集中效应。然而，对于热点应力的定义和求解，多半是基于表面外插值的方法，其他的结构应力方法却很少涉及。本文在上述切口应力强度理论的基础上，结合1 mm应力法和等效零点应力法，提出了一种新的结构应力求解方法。基于简单的十字形模型，该方法还可以适用于复杂的船体焊接构件。为了验证该结构应力方法的有效性，本文运用了不同的方法对DNV5组典型的焊接节点疲劳强度进行了预估分析。
　　（4）对于含初始裂纹构件（包括边裂纹和半椭圆表面裂纹），本文分别采用改进的附加裂纹长度方法、近似的应力集中系数法，以及传统的几何系数修正公式估算了其应力强度因子值。将试验结果和疲劳强度预估值作比较发现，附加裂纹长度方法的结果和传统的形状修正法的结果比较相近，验证了本章所提方法的可行性。
　　本文着重对切口件应力场和疲劳强度的简易评估方法进行了研究，且充分考虑了主要尺寸的敏感度，提出了适用性更广的预估公式。结果表明，本文提出的基于切口应力强度理论的应力评估方法在快速准确估算出焊接节点处的应力场分布和疲劳强度方面具有明显的优势，而且可以充分考虑厚度效应的影响。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 相关用语的解释

1.3 奇异强度理论预估应力场和疲劳强度的构思

1.4 国内外研究概况及发展趋势

1.5 本文的关键问题和主要内容

第2章 考虑切口奇异效应的拐角处应力场分析

2.1 引言

2.2 切口试件的奇异强度理论分析

2.3 改进的奇异强度方法

2.4 拉伸应力下的应力场分析

2.5 弯曲载荷下的应力场分析

2.6 本章小结

第3章 基于切口应力强度理论的焊接接头疲劳强度评估

3.1 前言

3.2 N-SIF值评估疲劳强度的方法

3.3 十字形焊接接头疲劳试验分析

3.4 疲劳强度分析与比较

3.5 本章小结

第4章 基于as的结构应力疲劳强度评估方法

4.1 引言

4.2 基于as的结构应力评估方法

4.3 等效零点位置的验证

4.4 厚度效应

4.5 有限元模型及疲劳试验验证

4.6 热点应力结果比较

4.7 疲劳试验分析

4.8 本章小结

第5章 基于as的裂纹扩展方法

5.1 引言

5.2 断裂力学分析

5.3 基于as的裂纹扩展分析

5.4 试验结果验证

5.5 本章小结

第6章 总结和展望

6.1 论文研究成果与创新点

6.2 论文工作的展望

致谢

参考文献

附录A：考虑弯曲效应和残余应力效应的热点应力

附录B：形状修正系数Mk

攻读博士学位期间发表文章