肘板趾端表面裂纹在随机波浪载荷作用下的疲劳扩展预报

肘板趾端是船舶与海洋结构的疲劳热点。文章用三维有限元分析了趾端表面裂纹应力强度因子修正系数的变化规律,并与BS7910推荐的典型节点表面裂纹应力强度因子公式计算结果作了对比,结果表明趾端表面裂纹应力强度因子沿深度方向的放大系数和T型节点相差很小,而表面端点应力强度因子修正系数则当裂纹长度在肘板厚度范围内时和T型节点相差很小,超出后则相差较大。以某客滚船上肘板趾端应力范围长期分布服从Weibull分布,产生系列均值为零的应力幅,应力强度因子分别采用有限元结果和BS7910中T型接头公式进行计算,采用单一曲线模型计算该趾端表面裂纹的裂纹扩展。计算等效应力强度因子幅时,考虑焊接残余应力的影响。计算结果表明以T型接头的公式计算趾端表面裂纹应力强度因子和有限元结果相差很小。建议将T型节点表面裂纹应力强度因子计算公式用于趾端表面裂纹应力强度因子的计算,并采用单一曲线模型对随机波浪载荷下作用下船舶典型节点疲劳裂纹的扩展寿命进行了预报。     

深海球壳表面裂纹应力强度因子影响研究

针对深海球形耐压壳的人员出入孔焊趾处的表面裂纹问题,本文建立了有限元模型并引入初始裂纹,考虑焊接残余应力沿壁厚线性分布的情况,采用M-积分法求解了在海水外压力和焊接残余应力共同作用下的应力强度因子。计算了不同尺寸裂纹下三种应力强度因子沿裂纹前缘的分布情况,发现人孔焊趾处裂纹主要表现为张开型(Ⅰ型)裂纹,相比于K_Ⅰ,K_(Ⅱ)和K_(Ⅲ)对裂纹的影响很小。分析了焊接残余应力和裂纹形状对应力强度因子的影响,讨论了同一深度半长比下表面裂纹K_Ⅰ最大值随裂纹深度变化和沿裂纹前缘K_Ⅰ的分布规律,结论可为进一步研究球形耐压壳的裂纹扩展及疲劳寿命预测提供一定的参考。     

裂纹尖端塑性区三维有限元分析

裂纹尖端塑性区的大小与其三维约束状态有关,而三维约束状态不仅与板厚还与外载荷、材料性质有关.因此不论是薄板还是厚板,用平面应力或者平面应变来模拟其状态都有局限性.现阶段对于三维约束状态下的裂纹还没有一个公认的可以准确计算塑性区大小的公式.文章用有限元对小范围屈服下,含Ⅰ型中心穿透裂纹板裂纹尖端的三维塑性区进行了研究,分析了硬化指数、屈服强度以及泊松比对塑性区大小的影响.计算从平面应力逐渐过渡到平面应变,结果与现有理论的预测结果进行比较,进而给出了一个计算裂纹尖端塑性区大小的计算公式.     

弯扭组合载荷下圆轴表面裂纹应力强度因子计算

传动轴往往承受弯扭组合载荷的作用,准确计算弯扭组合载荷下轴上半椭圆表面裂纹的应力强度因子对于传动轴的疲劳寿命预报来说十分重要。本文讨论了扭转载荷下裂纹前缘各点的Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子计算和网格质量之间的关系,对扭转载荷下Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子沿裂缝前缘的分布情况进行研究;并对弯扭组合载荷下轴上半椭圆表面裂纹的应力强度因子进行分析。结果显示在扭转载荷下裂纹最深点仅有Ⅲ型应力强度因子存在,沿裂纹前缘其他各点不仅存在Ⅲ型应力强度因子,还存在着不可忽视的Ⅱ型应力强度因子。弯扭组合载荷下的裂纹是Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹,且弯扭组合载荷下的表面裂纹各型应力强度因子可以视作分别施加弯曲和扭转载荷下同型应力强度因子的叠加。所得结论可为传动轴类构件疲劳寿命预报提供参考。     

复杂应力场中裂纹疲劳扩展寿命预报

船舶作为一种大型焊接结构,其疲劳热点部位的应力应变场分布很复杂,要预报这些部位的裂纹疲劳扩展寿命,必须解决复杂场中裂纹的应力强度因子计算及其裂纹扩展方向问题.该文对船舶肘板处两种不同原因产生的裂纹的扩展路径、扩展速率进行了研究.裂纹扩展方向用第一主应力准则确定,在裂纹扩展方向上给定不同的裂纹增量,得到不同长度裂纹的复合裂纹等效应力强度因子,并拟合这些计算结果得出船舶肘板的应力强度因子计算式.结合裂纹扩展率单一曲线模型对肘板裂纹扩展寿命进行了预报,预报结果与实验结果符合得较好,说明所采用的方法可行.对建立船舶典型节点的裂纹扩展寿命预报方法有参考价值.     

局部加强的含裂纹板应力强度因子分析

对含裂纹板局部焊接加强板条的断裂问题进行了分析计算.考虑加强板条的横向刚度和纵向刚度的影响,将加强板条对裂纹板的作用力离散化为作用在沿加强板条方向的有限个作用点处,由含裂纹板的复应力函数解法进行求解.文中分别就加强板条位置和加强板条相对刚度对裂纹板加强作用的影响进行了计算分析.计算结果表明,加强板条纵向刚度对降低裂纹板的应力强度因子起主要作用,提高加强板条刚度有利于降低结构应力强度因子,提高结构承载能力.     

基于裂纹尖端应力比值的FGM板应力强度因子简便预测方法

为了弥补含裂纹功能梯度材料(FGM)结构强度预测方法的不足,文章基于有限元分析方法,将复杂的FGM板应力强度因子求解问题转化为简单的FGM板和均匀材料板之间裂纹尖端应力比值计算问题,仅通过使用均匀材料板和FGM板裂纹尖端应力比值、均匀材料板应力强度因子经验公式即可得到任意FGM板应力强度因子值,从而提出了一种基于裂纹尖端应力比值的FGM板应力强度因子简便预测方法。该方法避免了复杂的矩阵运算以及数值积分,仅需建立二维有限元模型即可在保证精确度的基础上快速得到FGM板应力强度因子预测值。通过多组算例对比分析,证明该方法预测精度高,比传统计算方法更为简便,便于工程应用。     

自紧厚壁筒表面裂纹的应力强度因子研究

本文首先介绍了厚壁筒结构的基本计算模型和计算裂纹尖端应力强度因子的基本理论,接着利用边界元法计算了均匀内下不同厚壁筒内表面椭圆裂纹的应力强度因子,研究了其大小随椭圆裂纹不同而变化的规律,为厚壁筒结构的设计、制造以及疲劳寿命分析提供了许多有价值的参考资料。     

试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率影响的试验

为研究试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率的影响,设计并实施两组不同厚度的紧凑拉伸试样进行疲劳裂纹扩展速率试验,同时建立了三维疲劳裂纹扩展有限元模型,分别基于线弹性理论和弹塑性理论对应力强度因子进行了计算,并分析了试样厚度对裂纹扩展速率的影响。试验与计算结果的综合分析表明:相同应力水平下,薄试样裂纹尖端的塑性区明显大于厚试样,且裂纹尖端应力强度因子值大于理论经验计算结果可达23.25%,因此,在材料裂纹扩展速率试验前,特别是试样厚度尺寸较小时,应充分考虑试样的厚度效应,参考基于弹塑性理论计算得到的应力强度因子结果,同时有必要针对当前试样及材料进行专门的裂纹扩展速率试验,以得到准确裂纹扩展参数结果。     

试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率影响的试验

为研究试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率的影响,设计并实施两组不同厚度的紧凑拉伸试样进行疲劳裂纹扩展速率试验,同时建立了三维疲劳裂纹扩展有限元模型,分别基于线弹性理论和弹塑性理论对应力强度因子进行了计算,并分析了试样厚度对裂纹扩展速率的影响。试验与计算结果的综合分析表明：相同应力水平下,薄试样裂纹尖端的塑性区明显大于厚试样,且裂纹尖端应力强度因子值大于理论经验计算结果可达23.25%,因此,在材料裂纹扩展速率试验前,特别是试样厚度尺寸较小时,应充分考虑试样的厚度效应,参考基于弹塑性理论计算得到的应力强度因子结果,同时有必要针对当前试样及材料进行专门的裂纹扩展速率试验,以得到准确裂纹扩展参数结果。     

厚壁筒内表面椭圆裂纹的应力强度因子研究

本文首先介绍了用边界元法计算裂纹尖端应力强度因子的基本理论,接着利用边办元法计算了在均匀内压作用下不同厚壁筒表面椭圆裂纹的应力强度因子,并研究了其大小随椭圆裂纹不同而变化的规律,为厚壁筒结构的设计、制造以及疲劳寿命分析提供了许多有价值的参考资料。     

偏心裂纹缺陷板的应力强度因子和极限拉伸强度分析

疲劳裂纹对船舶结构强度具有不可忽视的削弱作用,在过去的研究中,主要从断裂力学的角度对疲劳裂纹应力场进行分析,而对于静态裂纹板的极限强度的探讨相对较少.本文在有限元计算的基础上对具有偏心裂纹缺陷的矩形板的应力强度因子和极限拉伸强度进行了分析.对于偏心裂纹应力强度因子,在计算方法上有效地简化了文献[5]中提出的大单元有限元计算模型,并且用于分析裂纹偏心度对于应力强度因子的影响.对于偏心裂纹延性板,采用弹塑性有限元进行了大量的组合计算,分析了相对裂纹长度、材料屈强比和裂纹偏心度对板的拉伸极限强度的影响,并给出了方便计算的回归公式.该回归公式包含了多个参数对板的极限拉伸强度的影响,与实验结果吻合较好.     

大型集装箱船高强度厚钢甲板安全寿命评估方法

疲劳是船舶与海洋工程结构破坏的主要模式之一.高强度钢的应用使得结构的疲劳问题更加突出.对于采用以高强度厚钢板为甲板的大型集装箱船来说,有必要进行高强度厚钢板的焊接缺陷部位安全寿命评估方法研究.以应力范围的长期分布服从两参数Weibull分布的随机载荷为疲劳载荷,裂纹扩展率采用单一曲线模型预报裂纹在任意时刻的尺寸,结合应力强度因子并参考应力计算方法和失效评估图技术提出一套计算集装箱船高强度钢厚钢板安全寿命评估的方法.通过编制计算程序,对某集装箱船甲板进行安全寿命计算.最后,分析疲劳载荷谱对安全寿命的影响.计算结果表明：载荷回复期的长短和Weibull分布的形状参数的取值都会极大影响结构疲劳安全寿命.     

破损舰体结构疲劳裂纹扩展及剩余寿命研究

采用预制缺口的907A钢平板结构试样进行拉伸疲劳载荷试验,得到了拉伸疲劳载荷作用下平板结构破口裂纹扩展规律.采用奇异单元法计算了相应试件的裂纹尖端应力强度因子,利用Paris准则得出裂纹扩展速率与应力强度因子的关系式.提出了破损舰体结构的疲劳裂纹扩展模型,用于估算破损舰船结构在波浪中航行时的裂纹扩展分析和剩余寿命预报.通过某型舰算例验证了文中试验计算方法的合理性.     

含裂纹损伤部分加筋板应力强度因子分析

基于复应力函数的解法,对含裂纹部分加筋板在拉伸载荷作用下的应力强度因子进行了分析计算.考虑了部分筋条的长度、位置以及筋条与板的相对刚度对加筋板裂纹尖端应力强度因子的影响,并基于这些结果对结构的止裂性能进行了分析.计算结果表明对于给定的裂纹长度,随着筋条长度的增加,筋条对裂纹板的加强作用普遍提高,当筋条的长度增加到一定程度时,继续增加筋条长度对应力强度因子影响不大;提高筋条对板的相对刚度,能有效降低结构应力强度因子,提高结构的止裂能力.     

基于改进McEvily模型的结构压-压疲劳寿命预测方法

潜水器在下潜过程中其耐压结构大部分区域处于压缩应力状态,所受压力随潜深的改变而改变,将有可能导致耐压球壳发生疲劳破坏,而压-压载荷下的疲劳问题与常规疲劳分析有着很大的不同,因此研究结构的压-压疲劳寿命具有重要意义。本文基于断裂力学理论,采用改进的McEvily裂纹扩展速率模型,预测压缩循环载荷下的深海结构物疲劳寿命。采用有限元方法建立结构模型,研究了裂纹尖端区域有限元单元尺寸的影响,采用多载荷步分析结合节点释放技术计算得到了压缩循环载荷下沿着裂纹扩展平面的残余拉应力和应力强度因子,结合改进的McEvily模型计算得到裂纹扩展寿命曲线。最后,以承受单向循环压缩载荷的双边裂纹板为例,阐述了本文的计算方法,并将计算结果与试验结果进行对比,结果表明本文的压缩疲劳寿命分析方法可行、有效,可为相关承受循环压缩载荷下的结构疲劳寿命评估提供参考。     

拉伸载荷下加筋板裂纹扩展研究

采用预制缺口的加筋板结构试样,对921A钢加筋板结构进行拉伸疲劳载荷作用下的低周疲劳试验,采用奇异单元法计算相应试件的裂纹尖端应力强度因子,利用Paris准则得出裂纹扩展速率与应力强度因子的关系式,得到拉伸疲劳载荷作用下舰体加筋板结构破口裂纹扩展模型,用于分析和预报破损舰船结构在波浪中航行时的裂纹扩展情况和剩余疲劳寿命预报,算例验证了本试验计算方法的合理性。     

基于奇异元计算分析裂纹尖端应力强度因子

采用两种奇异单元模拟裂纹尖端应力应变场的奇异性,建立了相应的计算裂纹尖端应力强度因子的ANSYS有限元模型。通过数值计算,分别考察了这两种有限元模型中裂纹尖端附近区域网格参数的变化对应力强度因子计算精度的影响,比较了应力强度因子对各个参数的敏感程度。发现采用20节点奇异元的有限元模型计算的应力强度因子几乎与网格参数无关,其计算结果更稳定可靠。该模型能够用于船舶及海洋工程结构中含裂纹构件的应力强度因子计算。     

考虑塑性损伤的船体裂纹板低周疲劳裂纹扩展行为研究

船舶结构的扩展断裂失效往往是低周疲劳破坏和累积递增塑性破坏耦合作用的结果,疲劳裂纹的扩展就是裂纹尖端前缘材料刚度不断降低延展性不断耗失而逐渐分离的结果.基于弹塑性断裂力学理论,文章提出了考虑累积塑性损伤的低周疲劳裂纹扩展速率预测模型.通过低周疲劳裂纹扩展试验拟合出模型相关材料参数并验证预测模型的合理性.通过系列有限元计算对平均应力及应力幅值的影响因素进行了数值分析.该模型的计算结果与已有实验结果基本吻合;对合理预估船体裂纹板的常幅低周疲劳裂纹扩展寿命有重要意义.     

考虑塑性损伤的船体裂纹板低周疲劳裂纹扩展行为研究（英文）

船舶结构的扩展断裂失效往往是低周疲劳破坏和累积递增塑性破坏耦合作用的结果,疲劳裂纹的扩展就是裂纹尖端前缘材料刚度不断降低延展性不断耗失而逐渐分离的结果。基于弹塑性断裂力学理论,文章提出了考虑累积塑性损伤的低周疲劳裂纹扩展速率预测模型。通过低周疲劳裂纹扩展试验拟合出模型相关材料参数并验证预测模型的合理性。通过系列有限元计算对平均应力及应力幅值的影响因素进行了数值分析。该模型的计算结果与已有实验结果基本吻合;对合理预估船体裂纹板的常幅低周疲劳裂纹扩展寿命有重要意义。