《大型機械結構複合型裂紋隨機-非機率診斷方法研究》是依託同濟大學，由孫遠韜擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：大型機械結構複合型裂紋隨機-非機率診斷方法研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：孫遠韜
- 依託單位：同濟大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
結構本身的非完善性及其性能逐步劣化是安全事故的主要原因，但目前針對諸如裂紋這類缺陷的診斷方法受不確定影響因素較大，而這些因素的信息又往往不易獲得，使得基於大樣本數理統計理論的隨機可靠性分析失去數據支持導致診斷結果可靠程度不高。為了提高結構失效評估的可靠程度，本項目首先研究不確定變數在仿射空間下表達方式與運算法則,建立隨機-非機率混合可靠性的數學表達式，然後以複合型裂紋為對象，通過界定裂紋速率中變數本身及相互間的影響，給出多維仿射空間轉化下的裂紋壽命可靠性分析模型並通過複合型裂紋擴展試驗修正;結合裂紋擴展的動態格線劃分策略和狀態函式不斷發生變化情況下的蒙特卡洛模擬方法求解該模型，最終得到複合型裂紋擴展規律及其混合可靠性評價結果，形成大型機械結構複合型裂紋隨機-非機率診斷方法；項目將理論成果套用於大型海上浮吊的裂紋分析，並通過實驗驗證來指導裂紋巡檢。
結題摘要
現在的生產工藝水平不能保證機械產品結構件中沒有裂紋等缺陷，同時在使用過程中，由於長期的機械載荷、環境溫度和各類腐蝕條件的影響，金屬結構件中也會產生裂紋。近年來，隨著結構的大型、重載、高速化以及工作場地逐步由陸地面向海洋決定了這些大型裝備在工作中將受到更為複雜的交變荷載作用，極易出現疲勞裂紋。由於該類結構尺寸巨大，價格極其昂貴往往有數億乃至數十億元，一旦發生問題將造成巨大損失，甚至危機自身安全。通常對裂紋的分析與診斷是基於斷裂力學理論的，但由於材料本身，載荷特徵，結構形狀、工作環境等眾多影響的複雜性，使得裂紋診斷在面臨眾多不確定因素時存在較大誤差，需要進一步提高可靠程度。 本項目首先研究不確定變數在仿射空間下表達方式與運算法則,建立隨機-非機率混合可靠性的數學表達式，並通過改進的乘法準則在減少誤差的情況下大幅提高了仿射過程的計算效率；針對裂紋擴展模型，根據斷裂準則結合靜強度失效方法，將其參數考慮為不確定因素，建立了複合型裂紋擴展壽命的可靠性模型，並通過JC法求解得到複合型裂紋擴展壽命的可靠性變化；考慮到大型機械結構整體相對裂紋本身的尺寸往往較為懸殊，通過動態子模型的方法完成結構裂紋仿真即將裂紋結構的粗糙模型及其子模型，建立在參數化描述基礎之上，根據每一個裂紋擴展步下的計算結果，建立粗糙模型與子模型分析結果間數據的動態關聯，實現對裂紋擴展後的粗糙模型及其子模型的動態修改，最終得到所需要的裂紋擴展路徑及對應的裂紋剩餘壽命。項目提出了移動載荷下的複合型裂紋結構剩餘壽命預測方法，利用Paris公式研究載荷變化過程中裂紋結構剩餘壽命的變化規律，得到載荷位置—裂紋剩餘壽命關係曲線。通過裂紋試件的聲發射實驗，得到了裂紋處的聲發射定位次數特徵，從實驗的角度驗證了載荷位置變化對裂紋擴展速率的影響規律。項目還提出了一種權函式自變數方程結合位移外推法來處理裂紋不連續線，避免了目前處理方法中節點和計算點重合時所發生的數值溢出現象，從而為無格線方法套用於裂紋分析提供一條新的手段。 項目利用Ansys二次開發技術構建裂紋診斷模組，使用戶通過選單引導輸入裂紋的位置、長度等參數後程式能自動生成含裂紋缺陷的有限元模型並完成結構件的剩餘壽命分析。總之項目結合斷裂力學基本理論與數值分析方法提出大型機械結構複合型裂紋的隨機-非機率診斷方法，提高狀態隨時間不斷變化下複合型裂紋擴展分析的可靠程度與效率。
