复杂载荷作用下疲劳裂纹扩展数值研究

摘要

疲劳裂纹对船舶及海洋结构具有极大的潜在威胁，要保证船舶在服役期间的安全性，需要充分考虑多种复杂载荷和不同结构形式下的疲劳裂纹扩展情况。大量的工程实践表明，加筋板具有重量轻、结构效率高及止裂性能好等优点，能够减少裂纹附近应力，并有效抑制裂纹扩展或控制裂纹朝着预定方向发展，故在船舶和海洋结构等工程中得到广泛应用。 尽管加筋结构的诸多优点已经为船舶设计工程师们所认同，但有关加筋板结构的裂纹扩展研究还相当少。本论文基于改进的Wheeler模型和疲劳裂纹扩展率单一曲线模型，结合考虑载荷次序，板厚以及应力比的影响，对变幅载荷下裂纹扩展规律进行了研究，得到便于工程应用的、精确的疲劳裂纹扩展寿命预测方法。本文的工作主要包括以下三个方面： 1、 使用有限元软件ANSYS对不同载荷形式和构件形式下的应力强度因子进行数值计算，提出均匀载荷下加筋板裂纹应力强度因子的计算图谱。并将几种典型分布载荷下的应力强度因子值进行了比较分析，得到了一些有参考价值的结论。 2、 利用现有实验数据对随机载荷作用下裂纹扩展率单一曲线模型进行分析验证。对若干材料在不同加载次序下的疲劳裂纹扩展行为进行了研究。通过与已有文献试验数据和NASGRO条带屈服模型的结果进行比较，证明本模型的预测结果和试验数据符合的较好，并能解释NASGRO模型无法解决的过载迟滞效应。 3、 基于裂纹扩展率单一曲线模型，结合有限元计算得到的拉伸载荷下含中心穿透裂纹加筋板的应力强度因子结果，对大尺度中心穿透裂纹加筋板的疲劳裂纹扩展试验结果进行了预测，并与实验数据进行对比，证明了该模型良好的工程适用性。