隨機海況下船體結構疲勞裂紋擴展及損傷演化機理研究

《隨機海況下船體結構疲勞裂紋擴展及損傷演化機理研究》是依託華中科技大學，由何文濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：隨機海況下船體結構疲勞裂紋擴展及損傷演化機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：何文濤
• 依託單位：華中科技大學

項目摘要

船舶在航行或作業時，長期受到波浪力、慣性力等交變載荷的作用，這將會引起船舶結構疲勞裂紋萌生、擴展直至斷裂。隨著船舶大型化及高強度鋼在船體結構中的廣泛套用，船體結構疲勞破壞顯得尤為突出。為了解決隨機載荷作用下船體結構的疲勞裂紋擴展及定量預測其疲勞壽命問題，本項目從疲勞損傷的角度，以塑性耗散能密度作為裂紋擴展的有效驅動力，基於臨界距離-臨界面法構建疲勞裂紋擴展模型；綜合運用該模型、循環塑性理論、疲勞損傷理論和用戶單元子程式UEL，開發彈塑性疲勞裂紋動態擴展系統，實現複合型疲勞裂紋擴展的精準預報；實驗研究複合型疲勞裂紋擴展行為，並驗證提出的理論模型。該項目系統研究了隨機載荷作用下疲勞裂紋擴展行為及損傷演化機理，探明在各種載入條件和過載類型作用下疲勞裂紋擴展速率的變化規律，揭示載荷順序對裂紋擴展行為的內在作用機理，為船舶與海洋工程結構的損傷容限設計及在役結構的剩餘壽命評估提供理論指導和技術支撐。

結題摘要

艦船在波浪中航行，不可避免地遭受隨機波浪載荷的作用；隨著船舶大型化和高強鋼在船舶建造中的廣泛套用，以及為減輕結構重量提高運載能力而進行的結構尺寸最佳化設計，使得船舶的疲勞破損問題顯得更為突出。由於傳統的S-N曲線法、應力強度因子法不能直觀地描述過載作用下裂紋閉合效應及損傷累積規律，因此本項目從疲勞損傷的角度，以臨界距離的塑性耗散能密度作為裂紋擴展的有效驅動力，提出了基於臨界距離的疲勞裂紋擴展模型；綜合運用該模型、循環塑性理論、疲勞損傷理論和用戶單元子程式UEL，開發彈塑性疲勞裂紋動態擴展系統。隨後，對不同過載峰作用下的CT試樣進行了完整的、體系化的實驗研究，發現在應力比一定的情況下，過載比越大，疲勞裂紋遲滯效應越明顯。通過彈塑性疲勞裂紋動態擴展系統對引入拉伸過載峰作用後疲勞裂紋尖端的應力應變場、累積塑性應變、尾跡區的裂紋張開位移及殘餘應力場等進行系統研究，探索過載作用下裂紋擴展行為的內在作用機理，並驗證提出的理論模型。隨著載荷循環次數的增加，裂紋尖端出現了較為顯著的塑性應變累積現象；在過載時刻，隨著過載比的增加，裂紋尖端的殘餘應力增加，其反向屈曲區越明顯；過載後，裂紋尖端的殘餘塑性楔形區域使裂紋產生閉合效應，進而導致了過載後裂紋遲滯現象。最後，將開發的疲勞裂紋擴展系統套用於一艘大型油輪船體縱骨與橫艙壁的連線節點處，對常用典型節點的疲勞裂紋擴展行為進行系統分析，揭示不同節點形式和載入方式對疲勞裂紋擴展路徑和擴展壽命的影響規律。該項目探明了載荷次序對裂紋擴展速率的影響規律，揭示了隨機載荷作用下疲勞裂紋擴展機理，實現真實海況作用下船體結構疲勞裂紋擴展及疲勞壽命評估的精準預報，為船舶與海洋工程結構的損傷容限設計及在役結構的剩餘壽命評估提供理論指導和技術支撐。