极地船舶结构疲劳分析方法研究

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学硕士学位论文极地船舶结构疲劳分析方法研究硕士研究生：张浩辉指导教师：冯国庆教授学科、专业：船舶与海洋结构物设计制造论文主审人：任慧龙教授哈尔滨工程大学２０１８年１月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文极地船舶结构疲劳分析方法研究硕士研究生：张浩辉指导教师：冯国庆教授学位级别：工学硕士学科、专业：船舶与海洋结构物设计制造所在单位：船舶工程学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegre

2、eofM.EngResearchonFatigueStrengthofthePolarShipCandidate:ZhangHaohuiSupervisor:Prof.FengGuoqingAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:DesignandConstructionofNavalArchitectureAndOceanStructureDateofSubmission:January，2018DateofOralExamination:March，2018University:HarbinEngineeringUniv

3、ersity极地船舶结构疲劳分析方法研究摘要极地地区拥有丰富的自然资源以及极高的商业开发和科学研究价值。随着极地航道的开辟，加之全球变暖带来的冰雪融化，人类在极地地区的活动越来越频繁。但极地地区大部分区域仍被较厚的冰层覆盖，极端低温持续时间长，因此航行于此区域的船舶需特别考虑结构安全性问题。极地船舶在航行过程中，高速行进的船艏撞向冰层，使船体热点区域产生幅值大、频率高的交变应力，非常容易产生疲劳问题。同时低温使得钢材及其焊缝的脆性进一步增加，脆性断裂的倾向加大。因此，研究由冰载荷引起的低温疲劳问题非常重要。但目前国内外研究主要关注极地船舶的破冰能力，船艏结构的屈服强度问题，忽视了极地船可能存

4、在的疲劳问题。为了确定极地船舶结构的疲劳分析方法，本文研究了DH36船用钢焊接节点低温疲劳性能以及由冰载荷引起的极地船低温疲劳损伤问题，开展了以下工作内容：1.测定了十字型、趾端、T型标准件在2种应力水平下的-60℃低温疲劳寿命。运用极大似然法处理试验数据，得出在-60℃低温环境下DH36钢材三种标准件的中值S-N曲线，并与常温环境下同类标准件的S-N曲线进行对比分析。2.参考现有极地船航行实例，考虑海水、海冰耦合作用，建立了极地船连续式和冲撞式破冰过程有限元仿真模型，运用非线性有限元分析软件LS-DYNA求解了船冰碰撞过程，得出了极地船所受碰撞力的时间历程以及船冰结构响应，并对连续式和冲撞

5、式破冰过程仿真结果进行了对比分析；3.根据CCS极地船舶指南和极地船航行实例，对极地船航行过程进行疲劳工况划分，确定了各工况下冰厚、航速及冰厚分布概率等参数。基于上述极地船与冰层碰撞的瞬时动力响应分析结果，并参照CCS船舶结构疲劳强度指南，确定了极地船疲劳分析5个典型热点。针对疲劳热点建立局部精细网格，并计算热点应力集中系数；4.运用雨流计数法对各疲劳工况下热点区域的应力时历过程进行分析，统计得出各载荷循环的幅值和均值，并运用Goodman修正法对所得平均应力进行修正。基于线性累积损伤理论和试验获得的低温热点疲劳S-N曲线，得到雨流统计周期内由冰载荷引起的各个热点的疲劳累积损伤度。根据极地船

6、低温疲劳累积损伤度计算表达，评估由冰载荷引起的各个热点在设计寿命期内疲劳累积损伤。关键字：极地船；疲劳；低温S-N曲线；冲撞式破冰；连续式破冰；累积损伤；雨流计数法极地船舶结构疲劳分析方法研究AbstractThepolarregionisrichinnaturalresources,anditishighvalueofcommercialdevelopmentandscientificresearch.Asthepolarchannelisbeingdevelopedandtheiceandsnowismeltingfasterbecauseofglobalwarming,humanact

7、ivitiesarebecomingmorefrequentinthepolarregion.However,mostareasofthepolarregionarecoveredbyinchesoficelayers.Andtheextremelowtemperatureintheseregionsisalongduration.Sothestructuralsafetyofashipsailinginth