船体结构疲劳裂纹扩展及其可靠性分析直接计算法研究

摘要

随着船舶大型化及高强度钢在船体结构中的广泛应用，船体结构疲劳强度评估显得尤为突出。目前，国内外对船舶疲劳强度的研究工作主要集中在如何预防裂纹的产生上，对产生裂纹后的结构研究较少。因此，各船级社的疲劳强度校核主要是基于S-N曲线的累积损伤方法，但其存在着一些难以克服的缺陷，如：预报结果离散性大，不能对含裂纹结构的扩展路径及剩余疲劳寿命进行预测。随着断裂力学的发展，以疲劳裂纹扩展为基础的预测方法已成为疲劳问题的研究热点。
　　本文对含裂纹结构的疲劳寿命评估问题开展了一系列研究，开发了疲劳裂纹扩展程序 FCG-System，能够对含裂纹平板及加筋板结构中单裂纹及多裂纹进行疲劳裂纹扩展特性分析；以此为基础，结合可靠性理论，开展了概率疲劳寿命评估研究，旨在提出含裂纹船体结构的疲劳裂纹扩展分析和评估方法。
　　首先，基于ABAQUS及脚本语言python，结合疲劳和断裂力学开发裂纹自动扩展的通用程序 FCG-System。提出了网格自动划分方法，建立了复杂结构任意裂纹扩展自动建模技术与参数化处理模块，为含裂纹结构疲劳裂纹扩展特性分析提供了技术保障。
　　在此基础上，结合虚拟裂纹闭合法，开发了含裂纹平板任意疲劳裂纹扩展分析模块。对含裂纹平板中单一裂纹扩展和多裂纹同时扩展的疲劳断裂特性进行分析，并与文献结果对比，验证了该方法及其程序的准确性及有效性。此外，对含非共线中心裂纹的方形板进行系统研究，探讨了不同位置的干扰裂纹扩展特性，及干扰裂纹对基础裂纹尖端应力强度因子的干扰规律。
　　随后，针对船体加筋板结构线状裂纹，提出了壳体单元的虚拟裂纹闭合法公式。在前述疲劳裂纹扩展模拟技术框架下，结合壳体单元虚拟裂纹闭合法，进一步开发了适用于船体结构疲劳裂纹扩展分析的模块。为了有效地模拟大型结构中疲劳裂纹扩展，将子结构技术整合到程序中模拟裂纹扩展区以外的其他区域。随后对加筋板结构中单一裂纹扩展和多裂纹同时扩展的疲劳断裂特性分析，验证了该方法及程序的准确性及有效性，并对网格的不敏感性进行验证。然后，对油船船体纵骨与横舱壁的连接节点处四种常用典型节点进行分析，研究其在侧面压力和轴向拉力作用下扶强材、软趾、防倾肘板及背肘板对疲劳裂纹扩展路径及其寿命的影响。
　　最后，进一步考虑材料参数、几何参数和荷载参数等随机性的影响，对含裂纹结构疲劳裂纹扩展可靠性进行分析。通过增加新的样本点构造高精度响应面逐步逼近极限状态函数的方法，将 Kriging改进响应面法与 MC法结合起来，构造基于 Kriging改进响应面的可靠度分析方法。并通过三个数值算例验证了 Kriging改进响应面方法的准确性及高效性。基于FCG-System，结合Kriging改进响应面法，提出了基于Kriging改进响应面法的疲劳寿命可靠度分析方法。随后采用 Kriging改进响应面法对单边斜裂纹矩形板和单边缺口四点弯曲试样进行了可靠性分析，并将计算结果与经典响应面法的结果相对比。另外，还将该方法应用于其他含裂纹结构的疲劳可靠性分析。

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1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 船体结构疲劳强度评估研究进展

1.3 船体结构疲劳裂纹扩展研究方法

1.4 本文主要工作及创新点

2疲劳裂纹扩展模拟系统FCG-System

2.1 引言

2.2 程序设计思路及流程

2.3 疲劳裂纹扩展模拟方法

2.4 裂纹扩展量问题

2.5 本章小结

3 含裂纹平板疲劳裂纹扩展研究

3.1 引言

3.2 平面裂纹扩展理论

3.3 验证例题

3.4 两裂纹扩展相互作用

3.5 本章小结

4 船体加筋板结构疲劳裂纹扩展研究

4.1 引言

4.2 加筋板结构疲劳裂纹扩展计算

4.3验证例题

4.4 网格不敏感性研究

4.5 船舶典型节点研究

4.6 本章小结

5 疲劳裂纹扩展可靠性研究

5.1 引言

5.2 基于Kriging改进响应面法的疲劳裂纹扩展模型

5.3 验证例题

5.4 基于改进响应面的疲劳裂纹扩展分析

5.5 船舶典型结构概率疲劳裂纹扩展分析

5.6 本章小结

6 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录

附录2 攻读学位期间参加的主要科研项目