船用铝合金板架结构典型节点的疲劳试验研究

本文针对船用铝合金板架结构典型节点的疲劳性能开展了试验研究。首先采用X射线对焊缝部位进行了拍照,获得了焊缝处的微观缺陷特征;然后进行板架的极限承载能力试验,得到板架的极限载荷水平;接着采用不同载荷水平进行反复载荷作用下的疲劳试验,获得了不同载荷水平下典型节点的疲劳寿命和破坏模式。试验结果表明:船用铝合金板架结构典型节点的疲劳寿命与测点应力呈双对数线性关系,即随着对数测点应力的增大,对数疲劳寿命呈线性下降趋势;而焊缝缺陷形式直接关系到节点的疲劳破坏模式与疲劳寿命。研究结果可为船用铝合金板架结构的承载能力评估与焊接工艺设计提供参考。     

焊接缺陷对铝合金板架疲劳寿命影响的试验分析

[目的]为研究焊接缺陷对铝合金板架结构疲劳寿命的影响,[方法]首先,利用X射线对2种节点形式的铝合金板架试件焊缝部位进行拍照,筛选出含与不含焊接缺陷的铝合金板架,并通过对X射线图像的分析得到铝合金焊接缺陷的主要类型;然后,在不同载荷作用下,对含与不含焊接缺陷的2种铝合金板架试件开展疲劳试验,以获得铝合金板架的疲劳寿命;最后,运用ABQUAS软件建立含3种焊接缺陷的板架试件的局部仿真模型,分析和揭示含焊接缺陷板架结构失效产生的机理。[结果]试验结果表明:含焊接缺陷的试件失效是由于焊缝端部缺陷处出现裂纹,扩展后导致纵骨腹板发生断裂;而不含焊接缺陷的试件失效与节点形式有关,均是在循环载荷作用下纵骨面板失效产生疲劳裂纹,扩展到腹板后导致纵骨发生断裂。[结论]研究成果可为铝合金焊接结构的疲劳寿命评估及焊接缺陷对疲劳寿命的影响提供参考。     

基于累积塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命研究（英文）

船体板的总体断裂破坏往往是低周疲劳破坏与累积塑性破坏两种破坏模式耦合作用的结果,故在船体板低周疲劳裂纹扩展寿命评估中,其基于累积塑性应变的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命分析能够更为符合实际地评估船体板的总体断裂承载能力。船体板低周疲劳裂纹扩展寿命由宏观可检测裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命。船体在实际航行中受到多次波浪外载作用而使其进入塑性变形不断累积或不断反复的破坏过程,并最终导致低周疲劳裂纹的萌生及扩展而使结构破坏,其破坏形式分别对应于增量塑性变形破坏(或棘轮效应)或交变塑性变形破坏(或低周疲劳)。局部塑性变形的累积会加剧低周疲劳裂纹不断扩展,因而基于累积塑性破坏研究船体板低周疲劳扩展寿命更为合理。文中以船体板单次循环载荷后塑性应变大小为基础,依据累积递增塑性破坏过程及弹塑性理论,计算经过N次变幅循环载荷后船体板累积塑性应变值,结合循环应力—应变曲线获得相应的稳定的迟滞回线,确定裂纹尖端应力应变曲线及确定相关塑性参量并依据选取的断裂判据判定裂纹扩展。建立循环载荷下基于累积递增塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命的计算模型考虑应力比对此裂纹扩展寿命计算模型的影响。由该方法计算出的疲劳裂纹扩展寿命将对正确预估船舶结构的低周疲劳强度从而提高船舶安全性有重要意义。     

基于累积塑性破坏的船体缺口板低周疲劳裂纹萌生寿命研究

结合循环应力-应变曲线,获得N次载荷循环后船体缺口板累积塑性应变值,根据Neuber公式和Manson-Coffin方程建立了循环载荷下基于累积递增塑性破坏的船体缺口板低周疲劳裂纹萌生寿命的计算模型。通过有限元计算讨论了循环载荷的平均应力、应力幅值、应力比及尺寸效应的影响;所建立模型的计算结果与已有实验结果基本吻合;对合理预估单轴循环载荷下缺口板的低周疲劳裂纹萌生寿命以及提高船舶安全性有重要意义。     

不同扶强材形式的纵骨贯穿舱壁结构疲劳试验

采用试验形式研究矩形扶强材和削斜扶强材结构形式的某铝合金船体纵骨贯穿舱壁结构疲劳性能。首先建立舱段结构的有限元模型(目标船纵骨采用6082铝合金,其他部分采用5083铝合金材料),确定载荷工况并计算分析2种扶强材结构在相应载荷水平下的应力分布状态。在此基础上,设计并开展实际板厚4点弯曲疲劳模型试验,获得试验模型在不同载荷水平下的疲劳失效循环次数,根据试验测得数据得到2种扶强结构形式的S-N曲线。试验结果表明,矩形扶强材形式的纵骨贯穿舱壁结构疲劳性能优于削斜扶强材形式,该结论可为舰船上纵骨贯穿舱壁结构处节点形式的设计以及5083、6082铝合金焊接结构形式(T型焊接和趾端焊接)的疲劳强度评估提供依据。     

基于累积塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命研究

船体板的总体断裂破坏往往是低周疲劳破坏与累积塑性破坏两种破坏模式耦合作用的结果,故在船体板低周疲劳裂纹扩展寿命评估中,其基于累积塑性应变的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命分析能够更为符合实际地评估船体板的总体断裂承载能力。船体板低周疲劳裂纹扩展寿命由宏观可检测裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命。船体在实际航行中受到多次波浪外载作用而使其进入塑性变形不断累积或不断反复的破坏过程,并最终导致低周疲劳裂纹的萌生及扩展而使结构破坏,其破坏形式分别对应于增量塑性变形破坏（或棘轮效应）或交变塑性变形破坏（或低周疲劳）。局部塑性变形的累积会加剧低周疲劳裂纹不断扩展,因而基于累积塑性破坏研究船体板低周疲劳扩展寿命更为合理。文中以船体板单次循环载荷后塑性应变大小为基础,依据累积递增塑性破坏过程及弹塑性理论,计算经过N次变幅循环载荷后船体板累积塑性应变值,结合循环应力—应变曲线获得相应的稳定的迟滞回线,确定裂纹尖端应力应变曲线及确定相关塑性参量并依据选取的断裂判据判定裂纹扩展。建立循环载荷下基于累积递增塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命的计算模型考虑应力比对此裂纹扩展寿命计算模型的影响。由该方法计算出的疲劳裂纹扩展寿命将对正确预估船舶结构的低周疲劳强度从而提高船舶安全性有重要意义。     

双轴加载下船底纵骨疲劳寿命试验与数值模拟研究

以实尺度制作了疲劳试验的试件,对45000DWT江海直达散货船船底纵骨与水密及非水密实肋板连接处进行了双轴恒幅循环载荷下的疲劳试验,记录了热点处的疲劳裂纹扩展长度和对应循环次数,获得船底纵骨疲劳特性;根据不同节点处裂纹萌生和扩展情况,得出非水密节点处是疲劳危险处;用动态应变仪记录热点处的应变,根据新版《船体结构疲劳强度指南》中的热点应力法计算热点应力,用试验数据拟合了一条S-N曲线,与指南提供的D曲线进行了对比分析,验证了D曲线的合理性。同时用MSC.Patran软件建立有限元模型,选取2007版《船体结构疲劳强度指南》中名义应力法对应结构形式的F曲线,用MSC.fatigue模块计算了相应节点的总疲劳寿命,将有限元结果和试验结果进行对比,验证了热点应力法的准确性。     

不同扶强材形式的纵骨贯穿舱壁结构疲劳试验

为了研究矩形扶强材和削斜扶强材结构形式的某铝合金船体纵骨贯穿舱壁结构疲劳性能，对此进行了试验研究。首先建立舱段结构的有限元模型（该目标船纵骨采用6082铝合金，其他部分采用5083铝合金材料），确定载荷工况并计算分析两种扶强材结构在相应载荷水平下的应力分布状态。在此基础上，设计并开展了实际板厚四点弯曲疲劳模型试验，获得了试验模型在不同载荷水平下的疲劳失效循环次数，并且根据试验测得数据得到了两种扶强结构形式的S-N曲线。试验结果表明矩形扶强材形式的纵骨贯穿舱壁结构疲劳性能优于削斜扶强材形式，该结论可为舰船上纵骨贯穿舱壁结构处节点形式的设计以及5083与6082铝合金焊接结构形式（T型焊接和趾端焊接）的疲劳强度评估提供依据。     

船舶典型节点疲劳强度试验及S-N曲线拟合方法研究

疲劳评估的关键问题是S-N曲线的选取,对于某些结构复杂的大型船舶特有的结构形式,现有规范没有合适的S-N曲线.为了更合理准确地进行结构疲劳强度研究,本文选取某型具有复杂结构的船舶,用实尺度模型试验的方法研究几种典型节点的S-N曲线特性.通过全船有限元谱分析疲劳强度计算,筛选出疲劳问题重点关注区域,确定模型试验部位;根据疲劳问题严重区域的实船结构,设计加工典型节点实尺度疲劳试验模型;确定多个加载工况,进行典型节点疲劳强度试验,获取典型节点多种载荷工况下的疲劳寿命值,在此基础上,研究得到各节点S-N曲线及P-S-N曲线;应用试验所得P-S-N曲线,对船体典型节点部位进行疲劳强度评估,并与规范S-N曲线结果进行了对比,指出了它们的差异.     

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。     

FPSO典型节点疲劳寿命分析

FPSO在服役期间长期承受由波浪等引起的不断变化的交变载荷,为保证其安全工作,有必要对FPSO进行疲劳寿命分析。首先选取FPSO的舭部与船底连接处(典型节点一)以及肋板与纵舱壁连接的肘板趾端(典型节点二)作为疲劳校核的典型节点部位;然后通过建立典型节点一和典型节点二精细网格有限元模型进行局部应力分析,由线性插值法得到典型节点处的热点应力;最后基于双壳油船共同结构规范(JTP)中的S-N曲线疲劳分析方法,对两处典型节点进行疲劳寿命分析,得到疲劳寿命满足船东50年寿命要求的结论。     

船舶典型节点疲劳强度试验及S-N曲线拟合方法研究（英文）

疲劳评估的关键问题是S-N曲线的选取,对于某些结构复杂的大型船舶特有的结构形式,现有规范没有合适的SN曲线。为了更合理准确地进行结构疲劳强度研究,本文选取某型具有复杂结构的船舶,用实尺度模型试验的方法研究几种典型节点的S-N曲线特性。通过全船有限元谱分析疲劳强度计算,筛选出疲劳问题重点关注区域,确定模型试验部位;根据疲劳问题严重区域的实船结构,设计加工典型节点实尺度疲劳试验模型;确定多个加载工况,进行典型节点疲劳强度试验,获取典型节点多种载荷工况下的疲劳寿命值,在此基础上,研究得到各节点S-N曲线及P-S-N曲线;应用试验所得P-S-N曲线,对船体典型节点部位进行疲劳强度评估,并与规范S-N曲线结果进行了对比,指出了它们的差异。     

船体结构典型节点疲劳模型试验

船体结构建造过程中存在一定程度的不确定性,同时在实际应用中可选择的S-N曲线是有限的,假设都采用规范推荐的S-N曲线计算疲劳寿命,其计算值必将与真实值产生一定程度的差异,因此有必要对船体结构典型节点进行疲劳模型试验。本文采用模型试验的方法对船体结构2种典型节点形式的疲劳特性,以及试验模型的设计、试验数据的处理方式及试验结果进行研究,得出的方法和结论对船体结构典型节点的疲劳模型试验具有参考意义。     

循环载荷下考虑累积塑性破坏的船体缺口板CTOD理论及数值模拟研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)是研究大范围屈服的低周疲劳破坏的重要参数之一,其值可反映结构材料抵抗低周疲劳裂纹形成和扩展的能力,是评估结构材料韧性的重要参量以及分析低周疲劳破坏引起裂纹扩展的主要控制参量。文章基于弹塑性断裂力学理论,从循环J积分着手,以裂纹尖端累积塑性应变为重要参量,建立循环载荷下船体板CTOD理论模型,并在有限元模拟中分析了应力比、应力幅等相关因素影响。将该模型结果与有限元计算结果进行了比较,发现结果吻合良好。结果表明:在考虑累积塑性影响下,该模型能较好地反映在循环载荷下船体板CTOD的变化规律,同时为正确评估循环载荷下船体板低周疲劳破坏与累积塑性破坏两种破坏模式耦合作用的总体断裂破坏提供途径。     

循环载荷下考虑累积塑性影响的船体板CTOD理论及数值模拟研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)是研究大范围屈服的低周疲劳破坏的重要参数之一,其值可反映结构材料抵抗低周疲劳裂纹形成和扩展的能力,是评估结构材料韧性的重要参量以及分析低周疲劳破坏引起裂纹扩展的主要控制参量。文章基于弹塑性断裂力学理论,从循环J积分着手,以裂纹尖端累积塑性应变为重要参量,建立循环载荷下船体板CTOD理论模型,并在有限元模拟中分析了应力比、应力幅等相关因素影响。将本模型结果与有限元计算结果进行了比较,发现结果吻合良好。结果表明：在考虑累积塑性影响下,该模型能较好地反映在循环载荷下船体板CTOD的变化规律,同时也为正确评估循环载荷下船体板低周疲劳破坏与累积塑性破坏两种破坏模式耦合作用的总体断裂破坏提供了途径。     

循环载荷下考虑累积塑性影响的船体板CTOD理论及数值模拟研究（英文）

裂纹尖端张开位移(CTOD)是研究大范围屈服的低周疲劳破坏的重要参数之一,其值可反映结构材料抵抗低周疲劳裂纹形成和扩展的能力,是评估结构材料韧性的重要参量以及分析低周疲劳破坏引起裂纹扩展的主要控制参量。文章基于弹塑性断裂力学理论,从循环J积分着手,以裂纹尖端累积塑性应变为重要参量,建立循环载荷下船体板CTOD理论模型,并在有限元模拟中分析了应力比、应力幅等相关因素影响。将本模型结果与有限元计算结果进行了比较,发现结果吻合良好。结果表明:在考虑累积塑性影响下,该模型能较好地反映在循环载荷下船体板CTOD的变化规律,同时也为正确评估循环载荷下船体板低周疲劳破坏与累积塑性破坏两种破坏模式耦合作用的总体断裂破坏提供了途径。     

船体结构S-N曲线选取方法

疲劳失效是船体结构破坏的主要模式之一。可采用S-N曲线法计算船体结构的疲劳寿命,S-N曲线的选取是该方法的关键内容之一。由于实际应用中可供选择的S-N曲线有限,无法全面涵盖所有类型的节点,规范中S-N曲线对于新型节点形式的适用性有待进一步研究。本文对S-N曲线的类型因子进行研究,提出采用热点应力集中系数选取S-N曲线的一般原则。并计算2种典型节点的应力集中系数,将其与规范值进行比较,发现计算值普遍小于规范值,按规范计算所得的疲劳寿命将趋于保守。     

船体裂纹板双轴非比例低周疲劳载荷下累积塑性行为研究

在恶劣海况中伴随着多轴高应力、低循环交变载荷作用下，船体结构不仅会出现多轴低周疲劳破坏，而且还存在着明显的累积塑性破坏。本文通过实验研究在双轴非比例低周疲劳载荷作用下，材质为Q235钢的船体斜裂纹板累积塑性损伤行为，提出双轴非比例低周疲劳载荷下基于累积塑性的裂纹板双轴非比例低周疲劳寿命预测模型。通过分析不同双轴非比例低周疲劳载荷下裂纹板的应力应变迟滞回线，重点探究不同双轴比、应力比和相位差等对低周期疲劳累积塑性变形的影响。研究结果可为准确评估在双轴非比例低周疲劳作用下船体结构断裂破坏行为提供重要依据。     

基于谱分析的FPSB疲劳寿命评估和优化

FPSB是一种新型深远海大型浮式结构物,长期承受交变波浪载荷作用,易发生疲劳而使得结构失效。本文以一艘FPSB为研究对象,使用谱分析法对其疲劳寿命进行了评估。首先建立水动力模型计算波浪载荷响应算子RAO,建立整船结构模型计算船体结构响应,随后选取典型节点建立子模型以得到精确的热点应力传递函数,采用北大西洋海况和P-M海浪谱,基于S-N曲线和线性累积损伤准则对典型节点的疲劳寿命进行计算分析。根据疲劳评估结果,对易损节点进行基于疲劳性能的结构优化,以提高节点形式的合理性及结构安全可靠性。     

基于雨流计数法及Corten-Dolan准则的轴承疲劳寿命预测

船舶轴承是船舶推进系统中的重要支撑部件，其稳定可靠的工作状态是推进轴系健康服役的重要保障。由于轴承的破坏形式主要为材料疲劳磨损引发的故障失效，故开展船舶轴承的疲劳磨损状态研究就显得尤为重要。本文针对轴承结构疲劳损伤问题，通过MATLAB软件实现雨流计数法原理的计算机语言编写，研究了四点雨流计数法对船舶轴承危险节点的动态应力分析应用，并提取出对应的循环应力载荷谱。考虑平均应力的影响，运用Gerber曲线对统计得到的循环载荷进行等寿命转化。最终利用轴承材料S-N曲线，结合Corten Dolan准则进行疲劳寿命预测计算，得出船舶轴承在相应外部循环载荷作用下的最终寿命。为轴承的设计和优化提供了理论参考依据，对船舶轴系运行管理具有重要的现实意义。