基于断裂力学的船体加筋板疲劳评估方法研究

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文基于断裂力学的船体加筋板疲劳评估方法研究姓名：李鹏申请学位级别：硕士专业：船舶与海洋结构物设计制造指导教师：冯国庆20110111 基于断裂力学的船体加筋板疲劳评估方法研究摘要疲劳破坏是船舶与海洋工程结构的主要失效形式之一，疲劳断裂力学已经成为工程结构强度和可靠性分析的必要工具。本文基于裂纹扩展理论，研究了船体结构中加筋板的应力强度因子变化规律及疲劳裂纹扩展寿命，希望能为进一步完善船舶结构疲劳寿命评估做参考。本论文完成的主要工作有：纹扩展速率模型，断裂判据等。计算结果，验证了有限元方法计算应力强度因子的准确性。得到裂纹尖端应力强度因子随

2、结构尺寸改变的变化规律，研究了加筋板止裂特性。况下的应力时历计算其疲劳寿命，并与不考虑筋影响的疲劳寿命进行对比，结果表明筋条具有较好的止裂和提高结构承载力的作用。关键词：船舶结构疲劳：应力强度因子；加筋板；有限元；裂纹扩展 基于断裂力学的船体加筋板疲劳评估方法研究���������，����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

3、��． 船舶在波浪中航行或工作时，其结构受到波浪力及运动产生的各种惯性力的作用，受载情况经常变化，构件长期处于交变应力状态，变化载荷周期的累积效应造成船舶的疲劳破坏。多年来，船舶结构的疲劳断裂问题一直是造船界所关注的课题Ⅲ，最早意识到船舶结构中疲劳问题的重要性是挪威和瑞典的船舶设计人员囝，但对于船舶结构疲劳破坏问题的系统性研究是从上世纪�年代后期开始的，当时，���和����圳花查，发现了��处疲劳裂纹。��年美国海岸警卫队���公布了�艘发生破损的油船数据，��以上的严重破坏是由于疲劳和断裂引起的。近年来，随着高强度钢的使用以及船舶尺寸的不断增大，使得船舶结构

4、的疲劳问题显得尤为突出巧询疲劳破坏是一个极其复杂的过程，但归根结底都是由于疲劳裂纹产生的，疲劳破坏过程一般可分成三个阶段：裂纹的起始，裂纹的稳定扩展以及最终断裂。在船舶工程领域，对船体结构的疲劳分析主要有两种方法：一是基于�狽曲线的分析方法，一是基法只能预报裂纹的起始寿命，因为这种方法将整个疲劳破坏过程人为的定义为某一个状态，认为裂纹一旦扩展，结构就发生疲劳破坏。��曲线法所定义的这种“破坏’’模型，很容易避开了裂纹尖端场的应力分析，使得问题大大简化，因此在工程中得到了广泛的应用。断裂力学在假定初始裂纹存在的条件下，明确考虑裂纹的扩展过程，最后预报临界裂纹的出现

5、时刻。这种方法用来计算存在裂纹或初始缺陷的疲劳寿命非常科学。而且一般来讲，由于制造过程中存在不可避免的缺陷，材料中的初始裂纹总是存在的，目前，国内外基于断裂力学的疲劳破坏研究主要是围绕一些平板和一些规则的裂纹展开的，而对船舶与海洋工程领域涉及较少，主要是因为其结构和所受载荷的复杂性。但是，将基于裂纹扩展理论的断裂力学的新方法应用于下一代的船舶结构疲劳强度校核和设计方法中，已是船舶疲劳问题发展的趋势噶】。基于上述的背景，本论文主要研究基于裂纹扩展理论的断裂力学法在船舶结构疲劳寿命计算中的应用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文��裂纹扩展理论国内外研究现状的断裂临界应力

6、公式。将����理论的能量释放率概念与一个更便于计算的裂纹尖端参量——应力强度因子联系起来，从而为线弹性断裂力学奠定了基础。而将断裂力学应用于应力疲劳寿命计算的开创性工作是由美国人��开始的。他提出在循环载荷作用下，裂纹尖端处的应力强度因子的变化幅度是控制构件疲劳裂纹扩展速率的基本参量，并于��年提出了疲劳裂纹扩展速度的指数幂定律。从此开始了基于断裂力学法的疲劳寿命计算研究。在用断裂力学方法进行疲劳寿命计算时，有几个问题至关重要：应力强度因子，裂纹扩展速率模型和断裂判据。应力强度因子的计算方法一般包括解析法，数值法和实验法。在几何形状比较简单的情况下，可用解析法

7、。但在较复杂的情况下，往往难以得到严格的解析解，故常用数值法，但数值法也必须以解析法推出的裂纹尖端附近区域应力场的基本方程为基础。另外还可以用试验来测定应力强度因子。解析法一般是基于材料力学和弹性力学的理论，通过一些简化获得理论解。而且一般都是基于二维的线弹性理论。面的拉伸载荷作用下，无限体内扁平椭圆表面裂纹应力强度因子的精确解：随着计算机的发展，有限单元法越来越多的应用与工程实际中，由于有限元方法不受裂纹体几何及载荷形式的限制，对于结构或裂纹形状复杂和受复杂载荷作用的结构件，一般采用有限元法计算其应力强度因子。 体中受均匀拉伸和弯矩作用下的三维裂纹的应力强度因

8、子，并提出了经验公式，得