發(fā)布時(shí)間：2020-09-08 09:03

　　 船舶的大型化發(fā)展已經(jīng)成為適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的一種趨勢(shì),船舶尺寸越大則其在惡劣海況中受到的應(yīng)力水平也越大,由船舶結(jié)構(gòu)疲勞斷裂引起的海上事故時(shí)常發(fā)生,低周疲勞裂紋擴(kuò)展問題也越來越引起重視。低周疲勞裂紋擴(kuò)展研究的一個(gè)關(guān)鍵問題在于對(duì)其裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)和張開位移場(chǎng)的影響因素展開分析,在研究結(jié)構(gòu)疲勞壽命問題時(shí),對(duì)其裂紋擴(kuò)展速率展開分析也十分重要。大型船舶基本結(jié)構(gòu)的疲勞問題應(yīng)針對(duì)其不同的結(jié)構(gòu)形式采用相應(yīng)的研究方法。本文著重研究含裂紋船體板和加筋板的低周疲勞裂紋擴(kuò)展問題,主要從以下幾個(gè)方面著手研究:(1)基于彈塑性斷裂力學(xué)理論,考慮循環(huán)載荷作用下裂尖區(qū)域鈍化機(jī)理,對(duì)含裂紋船體板和加筋板的裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、張開位移場(chǎng)展開理論研究,從理論角度分析其影響因素。(2)基于Chaboche隨動(dòng)強(qiáng)化模型,利用有限元分析軟件ABAQUS,以AH32高強(qiáng)度船用鋼材為材料,考慮基于循環(huán)載荷下累積遞增塑性對(duì)不同工況中板和加筋板裂尖區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)及張開位移場(chǎng)的影響展開分析。同時(shí),以CT試件(compact tensile specimen)為模型,對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展過程中的閉合效應(yīng)展開分析。(3)選取多種加強(qiáng)筋剛度比和過載峰,分別研究不同加強(qiáng)筋剛度比對(duì)加筋板疲勞裂紋擴(kuò)展特性的影響;同時(shí)對(duì)材料為AH32高強(qiáng)鋼的CT試件和加筋板施加多種過載峰,分析過載峰的遲滯效應(yīng)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。(4)引入COD-a曲線和P_(OP)-a曲線:COD-a曲線能夠更加直觀地反映疲勞裂紋擴(kuò)展過程中的張開位移場(chǎng)跟裂紋長度的關(guān)系;P_(OP)-a曲線能夠直觀反映疲勞裂紋擴(kuò)展過程中裂尖區(qū)域張開載荷變化情況。對(duì)不同工況下二者的變化趨勢(shì)展開分析,同時(shí)通過這兩種曲線將有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合,對(duì)有限元分析的合理性進(jìn)行驗(yàn)證。(5)利用實(shí)驗(yàn)室設(shè)備MTS疲勞試驗(yàn)機(jī),以AH32高強(qiáng)度船用鋼材為材料,分別開展CT試件和加筋板的靜載拉伸試驗(yàn)、常幅低周疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)以及過載峰作用下的低周疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),從試驗(yàn)角度對(duì)結(jié)構(gòu)的低周疲勞裂紋擴(kuò)展性能展開研究,同時(shí)通過試驗(yàn)方式對(duì)有限元結(jié)果進(jìn)行合理性驗(yàn)證。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U661
【部分圖文】：

1.1 研究背景與意義眾所周知，隨著近年來經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為適應(yīng)該發(fā)展的需求，船體結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化主要有以下兩個(gè)方面：一方面船體結(jié)構(gòu)越來越大以滿足發(fā)展的需求；另一方面越來越多的船舶采用高強(qiáng)鋼材料來減輕船體重量。該變化趨勢(shì)使得船體受到的應(yīng)力應(yīng)變工況也越來越大，在結(jié)構(gòu)不連續(xù)或者存在缺陷的地方易產(chǎn)生疲勞破壞[1]。以新下水運(yùn)營的 ULCS 為例，該船最大運(yùn)載量為 18000 TEU，船體總長大于 300 m；相較之 20 世紀(jì) 70 年代的第 1 代集裝箱船船長小于 200m，最大運(yùn)載量也只有 1500TEU，到 20 世紀(jì) 80 年代的第 4 代集裝箱船的運(yùn)載量也只有4400TEU。作為造船和航運(yùn)大國，我國大型化船舶的建造和運(yùn)營量增長速度驚人，根據(jù) 2011 年中國船級(jí)社年報(bào)[2]的統(tǒng)計(jì)，我國船舶入級(jí)突破 5000 萬總噸。船舶的大型化發(fā)展一方面促進(jìn)了我國經(jīng)濟(jì)的增長，但是另一方面船舶大型化也對(duì)船體結(jié)構(gòu)的要求更高，否則有可能產(chǎn)生不可估量的后果。過去三十年間，根據(jù) IMO的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，約有 700 艘大型船舶發(fā)生海難事故，其中有近 400 艘船舶發(fā)生總體斷裂破壞，圖 1-1 給出了 2 個(gè)船體結(jié)構(gòu)總體折斷的實(shí)例：

題而造成船體結(jié)構(gòu)斷裂的數(shù)目多于 100 艘。最近一次大型船舶疲勞斷裂的海難是發(fā)生在 2013 年 6 月 17 日的“MOL Comfort”號(hào)�！癕OL Comfort”號(hào)是日本三菱重工長崎造船廠于 2008 年交付完成的集裝箱船，2013 年 6 月 17 日在也門外海200 英里處發(fā)生結(jié)構(gòu)斷裂事故。“MOL Comfort”號(hào)船長 316m、寬 46m、排水量90000t、設(shè)計(jì)載箱量為 8110TEU，“MOL Comfort”號(hào)事故是近年來較大的一起海難。“MOL Comfort”號(hào)是由造船技術(shù)先進(jìn)的日本造船廠建造、采用了高強(qiáng)度鋼材、營運(yùn)僅 4 年時(shí)間的新船竟發(fā)生了事故，因此造成該事故的原因備受國際造船界及航運(yùn)業(yè)界的關(guān)注。雖然目前對(duì)此次事故的具體原因沒有準(zhǔn)確結(jié)論，但是該船工作環(huán)境為惡劣海況，由波浪外載作用所引起的交變應(yīng)力累積破壞可能會(huì)是造成“MOL Comfort”號(hào)船體總體斷裂的一個(gè)重要原因。這是因?yàn)殡m然高強(qiáng)度鋼材具有很高的屈服強(qiáng)度，但對(duì)于船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度并無改善，船舶結(jié)構(gòu)在由波浪產(chǎn)生的交變載荷工況中，其塑性變形產(chǎn)生不斷累積從而形成低周疲勞裂紋，隨著低周疲勞裂紋的擴(kuò)展進(jìn)行，最終發(fā)生斷裂破壞，圖 1-2 給出了“MOL Comfort”號(hào)斷裂時(shí)刻的情況。事實(shí)上，船體結(jié)構(gòu)在交變載荷下的總體折斷就涉及到了低周疲勞問題。

個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的 da /dN 可通過對(duì)常幅工系數(shù)由過載比和過載循環(huán)數(shù)共同決定；紋擴(kuò)展的遲滯效應(yīng)要比大氣中的影響范測(cè)公式，如式(1-4)所示；2( )cf thcfcfdaB K KdN = Δ Δ 擴(kuò)展的阻抗系數(shù)；thcfΔ K為其門檻值。ulin Zheng 得出的結(jié)論雖與 Borrego 提出作用比單調(diào)塑性區(qū)下所獲得的裂紋長度分有借鑒意義。A.A.Aguilar Espinosa 等開展裂紋閉合效應(yīng)和與裂紋張開應(yīng)力相和低載的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。該試驗(yàn)使和 950 倍率的顯微鏡來觀測(cè)動(dòng)態(tài)的裂形貌圖如圖 1-4 所示：

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