具有裂纹损伤的船舶结构剩余极限强度分析

摘要

结构强度的准确评估是船舶结构在设计、制造和使用过程中的一项关键技术。由于船舶结构在使用过程中可能遭遇到多种事故和损伤，对结构产生不利影响，结构的强度会显著降低，甚至导致破坏，造成很大的经济损失和不利的影响。所以，为了提高船舶结构的使用安全性和使用寿命，正确评估船舶结构受到损伤之后的剩余极限强度越来越受到人们的关注。 近几年来，船舶结构剩余极限强度的研究取得了很大的进步，人们对结构剩余极限强度的本质及研究的必要性有了更加深入的认识，但是作为一个新的研究领域，它目前仍处于初始发展阶段，进一步研究各种损伤形式对结构极限承载能力的影响，建立合理的结构损伤分析模型是船舶结构强度研究的新方向。裂纹是大多数结构最为常见的一种损伤缺陷，然而，由于含裂纹结构应力分布的复杂性以及剩余极限强度影响参数的多样性，其剩余极限强度的评估方法与完整结构极限强度的评估方法有所不同。目前，这方面的系统研究较少，以分析裂纹问题为目的的断裂力学理论还具有一定的局限性，并且研究结果很难直接应用到工程上。 因此，本文的目的是综合分析当前含裂纹结构剩余极限强度研究的概况，对含裂纹船舶结构剩余极限强度的评估方法做一较为深入系统的研究，综合考察裂纹缺陷对典型船舶结构极限强度的影响，给出带裂纹构件的极限强度计算方法和合理的止裂及修复的工程建议，同时为复杂船体结构以及船体梁的剩余极限强度评估提供基础。围绕这一目的，本文主要完成了以下几个方面的工作： (1)系统归纳和总结了含裂纹结构剩余极限强度的研究方法和研究进展；在吸收前人研究成果的基础上，找到合理地解决含裂纹船舶结构剩余极限强度问题的弹塑性和全面屈服破坏分析方法； (2)用数值计算的方法对含单一裂纹的板的剩余极限强度进行了无量纲参数化分析，考察了材料特性(包括屈强比、泊松比)、裂纹特征(包括长度、位置、与外应力方向的夹角)、结构几何尺寸(包括厚宽比、长宽比)以及加载形式(包括均匀应力和固定位移)对板的极限强度的影响，得到了包含多个影响参数的剩余极限强度经验计算公式，其计算结果与实验结果吻合较好。 (3)对含裂纹的加筋板的剩余极限强度进行了无量纲参数化分析和计算，考虑了加筋板上的三种缺陷形式，即板和筋上的垂直裂纹，板和筋上的倾斜裂纹，以及板上的裂纹和筋上的半圆孔。对板和筋上的相对裂纹长度、材料属性、板和筋的厚度、裂纹与外应力夹角以及圆孔的直径等影响参数进行了分析。同时，将无加筋平板剩余极限强度的经验计算公式推广到加筋板，并验证了修正公式的有效性。 (4)对含典型多裂纹(MSD)缺陷的板和加筋板的剩余极限强度进行了讨论，分析了干扰裂纹对主导裂纹的干扰性及其对板的剩余极限强度的影响；其中，考虑了干扰裂纹的两种形式，即平行于主导裂纹和与主导裂纹呈一定角度的干扰裂纹，同时分析了干扰裂纹与主导裂纹的相对位置的影响；考察了能够引起板剩余极限强度明显下降的干扰裂纹的位置，为建立合理的含多裂纹结构剩余极限强度的随机评估体系奠定了基础； (5)基于应变能密度因子理论对复合型裂纹的初始扩展角度进行了分析，在此基础上讨论了在裂纹尖端区域增加补强板进行止裂的效果，考察了补强板相对复合型裂纹尖端的位置以及补强板的刚度对止裂效果的影响，给出了合理的止裂和修复的工程建议； (6)结合现有的复杂船舶结构和船体梁极限强度评估方法，介绍了将以上分析结论应用到复杂船体结构以及船体梁的剩余极限强度评估中的基本方法。 通过本文的研究工作可以得出如下有价值的结论： (1)板的剩余极限强度受屈强比影响很大，几乎不受泊松比的影响；剩余极限强度随裂纹长度的衰减趋势可以分为两部分，裂纹较小时可以近似为指数衰减，裂纹较长时近似为线性衰减；而剩余极限强度随裂纹与外应力央角以正弦趋势变化；裂纹偏心程度增大时板的剩余极限强度明显下降；板承受边界均布应力作用时，剩余极限强度随着长宽比的增大迅速增大，直到达到一个稳定的常数值；而当边界载荷条件为固定位移条件时，变化趋势恰好相反，板长宽比较小时的剩余极限强度较大，随着长宽比的逐渐增大，剩余极限强度迅速减小直到达到与均布应力条件下相同的稳定值。 (2)裂纹长度、倾角、材料屈强比以及筋上开孔的大小都对加筋板的剩余极限强度有着显著的影响；对于理想弹塑性材料，可以较为合理地考虑净截面屈服的破坏模式，通过折减裂纹所占有的横截面积来估算加筋板的剩余极限强度；当板和筋上均具有裂纹时，加筋板可以简化为一个具有一定长度裂纹的等效平板，但是等效裂纹长度相同时，板和筋上不同的相对裂纹长度组合会在一定程度上影响加筋板的剩余极限强度；筋上较小的开孔能够使裂纹对加筋板极限强度的削弱程度降低。 (3)多裂纹存在时，主导裂纹附近的干扰裂纹将影响主导裂纹尖端的应力分布，但是在一定位置和长度下也可能降低主导裂纹尖端的应力强度因子；干扰裂纹长度及其与主导裂纹中心的距离在一定范围内时，才对板的剩余极限强度产生影响；在影响区域内，干扰裂纹将影响主导裂纹尖端塑性区，缓慢加载时，两裂纹在塑性区连通后可以近似看作一条长裂纹，此时板的剩余极限强度明显下降；当干扰裂纹逐渐远离主导裂纹，其对主导裂纹的影响逐渐消失，对板的失效起着决定作用的是主导裂纹两端的塑性区，此时，干扰裂纹的影响可以忽略；因此多条干扰裂纹存在时，评估板的剩余极限强度时可以将没有影响的干扰裂纹忽略。本文对主导裂纹相对板宽的长度为0.4、干扰裂纹相对主导裂纹的长度为0.25的裂纹分布位置对板剩余极限强度的影响进行了分析，指出了影响板剩余极限强度的干扰裂纹中心位置区域(干扰裂纹中心与主导裂纹中心横向距离大于0.3倍板宽，纵向距离小于0.6倍板宽)。 (4)根据应变能密度因子理论，可以通过做出应变能密度因子相对裂尖局部坐标下倾角的变化曲线获得裂纹的初始扩展角度；有限元计算能够得到随着载荷增加的弹塑性裂尖周围应变能密度变化趋势，从而反映塑性条件下裂尖附近的能量分布特征；对于板上含有裂纹的加筋板，板上裂纹由于受到加强筋的影响，裂纹面的张开位移比相同应力水平下单独平板的同参数裂纹的裂纹面张开位移要小，但是当筋上的裂纹尺寸增大时，板上裂纹应力迅速增大，因此工程结构中要尽量避免筋上裂纹的产生和扩展；相同载荷作用下，在靠近裂纹尖端的部分加补强板，能够分流裂纹尖端的应力场强度，降低裂尖的应力变化梯度，从而减小裂纹的危险性；补强板的修复作用与其位置有关，越靠近裂纹尖端其修复作用越好，而其角度位置应该在裂纹的初始扩展角度附近，且刚度较大的补强板的修复作用较好，但是当刚度增大到一定值时，修复作用会趋于稳定；补强板尤其适用于不能使用止裂孔的水下区域结构的暂时止裂。 总之，用数值分析方法能够合理地分析裂纹对结构剩余极限强度的作用，分析表明，裂纹的存在极大地削弱了结构的剩余极限强度，裂纹的影响在工程结构强度评估中应该受到足够的重视。同时，船舶结构中的多裂纹分布的数量和分布位置是随机的，本文分析的单裂纹和形式较为简单的多裂纹损伤的基本结论为随机多裂纹分析奠定了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1含裂纹船舶结构剩余极限强度研究的意义

1.2含裂纹结构剩余极限强度的研究方法

1.2.1基于断裂力学的理论方法

1.2.2有限元方法

1.2.3基于净截面屈服的理论简化方法

1.2.4常用工程评估方法

1.2.5基于宏观断裂力学思想的结构缺陷评定方法

1.3含裂纹船舶结构剩余极限强度的研究发展状况

1.3.1船舶总纵强度的研究进展

1.3.2含裂纹结构剩余极限强度的研究进展

1.4本论文的目的和研究内容

1.5本论文的组织结构

第二章含典型裂纹缺陷的船舶结构板单元剩余极限强度分析

2.1引言

2.2含裂纹船舶结构剩余极限强度分析中的几个问题

2.2.1含裂纹的船舶结构的特点

2.2.2含裂纹结构剩余极限强度的影响因素

2.2.3含裂纹结构剩余极限强度评估的内容

2.2.4含裂纹船舶结构的主要破坏模式

2.3含中心穿透裂纹和边缘穿透裂纹板的剩余极限强度分析

2.3.1含中心穿透裂纹板的剩余极限强度简化方法

2.3.2含典型裂纹板的剩余极限强度有限元分析

2.4本章小结

第三章含裂纹薄板的剩余极限强度无量纲参数化分析

3.1引言

3.2有限元分析模型

3.2.1问题描述

3.2.2有限元模型

3.3有限元无量纲参数化分析

3.3.1网格精度的影响

3.3.2材料属性的影响

3.3.3裂纹特征的影响

3.3.4板的几何尺寸和边界条件的影响

3.4含裂纹板的剩余极限强度经验计算公式

3.5含表面半椭圆裂纹平板的剩余极限强度分析

3.6本章小结

第四章含裂纹加筋板的剩余极限强度分析

4.1引言

4.2板和筋上均含裂纹的加筋板剩余极限强度有限元计算

4.2.1有限元计算模型验证

4.2.2理想弹塑性材料下裂纹长度对加筋板剩余极限强度的影响

4.2.3考虑应变强化时裂纹长度对加筋板剩余极限强度的影响

4.2.4板和筋上相对裂纹长度的差异对加筋板剩余极限强度的影响

4.2.5裂纹倾斜角度对加筋板剩余极限强度的影响

4.3筋上开孔的加筋板剩余极限强度的有限元计算

4.3.1模型验证

4.3.2裂纹长度和开孔直径对加筋板剩余极限强度的影响

4.4本章小结

第五章含多裂纹平板的剩余极限强度分析

5.1引言

5.2含多裂纹损伤的板单元的破坏准则

5.2.1净截面屈服准则

5.2.2韧带平均位移准则

5.2.3韧带平均应力准则

5.2.4韧带塑性区连通准则

5.2.5表观断裂韧度准则

5.3含多裂纹损伤的板的剩余极限强度有限元分析

5.3.1模型验证

5.3.2含共线分布多裂纹板的剩余极限强度

5.3.3含平行双裂纹板的剩余极限强度

5.3.4倾斜干扰裂纹对剩余极限强度的影响

5.3.5两条平行干扰裂纹存在时对剩余极限强度的影响

5.4本章小结

第六章裂纹初始扩展角度分析和止裂决策

6.1引言

6.2裂纹初始扩展角度的判断准则

6.3应变密度因子的基本理论

6.3.1应变能密度因子的概念

6.3.2应变能密度因子理论在脆性断裂破坏和屈服破坏上的假设

6.4裂纹尖端的应变能分析

6.5板的断裂破坏角度

6.5.1有限元计算曲线

6.5.2应变能密度因子理论解

6.6加筋板的断裂破坏角度

6.7止裂决策

6.8本章小结

第七章船体梁的剩余极限强度分析方法

7.1引言

7.2船体梁极限强度直接计算解析方法

7.2.1船体梁的始屈弯矩直接计算解析方法

7.2.2船体梁的全塑性弯矩直接计算解析方法

7.2.3船体梁的极限弯矩直接计算解析方法

7.3含裂纹缺陷的船舶板格结构单元的剩余极限强度分析方法

7.3.1已知一个裂纹分布的加筋板格的拉伸极限强度

7.3.2已知一个裂纹分布的加筋板格的剩余压缩极限强度

7.4裂纹损伤程度对船体梁极限强度影响的计算方法

7.5本章小结

第八章全文总结、主要创新点与研究展望

8.1全文总结

8.2本文的主要创新点

8.3研究展望

附录

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文