水下结构环境载荷分析及疲劳损伤机理研究

摘要

水下结构物所处环境相比于陆上环境更加复杂恶劣,几十年来由于结构损伤造成了巨大的灾难性事故,事故原因调查发现,疲劳损伤是导致结构失效的最大因素,构件由于长期承受波浪、海流、风等随机载荷,它们之间的联合作用会导致水下结构的疲劳呈多轴特性,损伤会在不同方向、不同平面内形成,疲劳损伤演化的物理机制更为复杂,至今尚有许多基本问题没有解决,仍未形成统一的理论。
　　K型管节点是水下结构的关键部位,同时也是最薄弱的环节,本文首先将断裂力学与损伤热力学概念引入管节点疲劳损伤演化机理的研究,将宏观海洋坏境因素与材料内部细微观组织结构变化联系起来,共同揭示疲劳损伤演化的微观机制和疲劳损伤演化的规律;材料的疲劳与损伤热力学之间存在很大的联系,在循环载荷作用下,材料内部原子由于热扰动现象发生逃逸,逃逸所产生的空穴因平衡位置的不断变化不能完全湮灭,点缺陷扩展成更大面积的缺陷,缺陷的进一步发展引起材料发生疲劳断裂。
　　根据损伤变量与单一载荷作用下循环次数之间的关系,得到其近似方程及方程各个系数之间的关系,采用matlab软件仿真数值得到了与方程曲线变化相吻合的曲线,验证了该损伤演化理论的正确性。
　　海洋环境载荷计算中根据波浪力与海流计算公式,考虑了两者之间的同方向联合作用,引用南海海域某一海况得出波流载荷作用力形式,将计算结果用于下一步试验中,使试验条件更加接近真实水下环境;利用有限元分析软件对构件进行疲劳仿真模拟,提出K型管节点结构缩尺模型的疲劳实验方法,并结合热电偶仪、应力应变仪,研究管节点的弯曲应力应变场、热耗散疲劳温度场。
　　试验过程弯曲应变分析可以看出在很长一段时间内弯曲应变稳定变化,随着载荷的不断增加,弦管开始发生疲劳破坏,疲劳断裂过程弯曲应变呈现先减小后增大然后又减小的变化趋势;热耗散温度变化分析得出试验过程中试样表面温度分为三个明显的过程:初始升温阶段,温度稳定阶段和温度快速升高阶段,试验初期阶段材料表面温度变化稳定上升但是上升幅度较小,中期阶段材料表面温度明显升高,在升高后相当长一段时间内保持稳定状态,疲劳断裂阶段十分短暂,温度变化最大,升高率达到了19.2％。
　　研究成果进一步丰富了疲劳损伤理论,从宏观和微观两方面解释了材料为什么会在远低于疲劳极限的情况下发生疲劳破坏的机理,验证了理论模型的有效性和正确性,为工程应用提供了理论基础。