破冰船结构低温疲劳性能与冰致疲劳分析方法研究

Icebreaker plays an important role in the exploration of the Arctic. The current investigations regarding the ship structures of icebreaker mainly concentrated in the ice-breaking capability, the loads and the structural strength assessment. The research on the fatigue performance of the icebreaker is awfully rare. With respect to this status, the fatigue performance and the fatigue analysis of the icebreaker structures has been carried out. First, the S-N curve and the Paris model of the base material and the typical structural configuration for icebreaker are achieved through the fatigue test under the low temperature of -60 centigrade. The fracture mechanism under the low temperature is interpreted through the observation of the micro morphology of the fracture surface. Then, the ice induced fatigue load calculation methods are investigated respectively for the continuous icebreaking mode and the crash-icebreaking way, and the history of the ice induced fatigue loads are obtained. The fatigue stress time history is calculated by the finite element analysis in time domain. With the stress concentration factor accounted for, the probabilistic distribution of the fatigue stress is derived by means of the regression of the fatigue stress time history. Based on the linear accumulative damage approach and the S-N curve under low temperature, the crack initiation life analysis method is presented. In view of the initial crack, the stress intensity factor calculation for the crack of local structures is researched. Based on the Paris crack growth equation obtained from the test under the low temperature, the crack propagation life analysis method is proposed. Consequently, the total fatigue life analysis method for the icebreaker in the low temperature of the Arctic is developed on the basis of the fatigue experiment.

破冰船在极地开发中起着重要作用，目前对破冰船结构的研究主要集中在破冰能力，冰载荷或结构强度评估等方面，而对破冰船疲劳性能的研究相当匮乏。有鉴于此，本项目开展破冰船结构疲劳性能和分析方法研究。通过低温(-60℃)试验确定破冰船结构母材及典型节点的疲劳S-N曲线和裂纹扩展Paris模型参数。通过断口微观形貌观测，阐释低温断裂机理。研究破冰船在连续式和冲撞式破冰下的疲劳载荷计算方法，得到疲劳载荷时历。建立破冰船结构有限元模型，通过时域分析得到疲劳应力时程。计及应力集中的影响，对应力时程进行统计分析得到应力概率分布模型。基于线性累积损伤理论和低温试验疲劳S-N曲线，给出破冰船疲劳裂纹起始寿命分析方法。计及初始裂纹影响，研究局部裂纹应力强度因子计算方法，结合试验得到的裂纹扩展Paris模型，给出疲劳裂纹扩展寿命分析方法。从而形成一套以疲劳试验为基础的极地低温条件下破冰船结构全寿命疲劳强度分析方法。

随着全球气候变暖、海冰加速融化，极地蕴藏的丰富资源和极具价值的北极航道已将极地潜在价值推到现实的高度。破冰船作为极地冰区开发利用必不可少的船舶，也受到了越来越多的关注。由于极地地区极端的环境载荷条件，对船舶的材料、结构形式、力学性能、总体性能和提出了巨大挑战。目前，对破冰船结构的疲劳分析，尚没有可供参考的相对成熟的方法。因此，对极地破冰船的结构疲劳性能进行评估显得十分重要。.本文将疲劳试验与疲劳分析方法紧密结合，首先开展低温疲劳起始寿命和裂纹扩展试验，并通过一系列的数据处理方法获得了材料低温疲劳参数；在此基础上分别研究连续式破冰与冲撞式破冰的冰载荷计算方法，获得了破冰船在不同工况下的船体所受冰载荷；然后，基于冰载荷时历和船体结构模型，开展结构动态响应分析，获得结构热点处高应力时历，并通过雨流计数法获得应力范围，并回归出了相应的概率分布函数；最后结合疲劳试验建立的低温疲劳S-N曲线与Paris裂纹扩展模型，分别给出基于线性累积损伤的裂纹起始寿命和基于断裂力学的裂纹扩展寿命分析方法，从而形成了一套完整的极地低温条件下破冰船结构全寿命疲劳强度分析方法。.通过本项目的研究，获得了船用钢在低温下的疲劳断裂规律，阐释了船用钢在低温下的疲劳韧脆转折现象，并基于概率分析方法给出了可用于极地结构物疲劳分析的疲劳材料参数，这将对极地结构物的疲劳分析提供必要的数据基础；针对冰致疲劳载荷，本项目提出了长时历冰载荷分析算法，获得了能够用于疲劳分析的冰载荷数据，并且此长时历冰载荷分析算法具有广泛的适用性，对于除层冰以外的其他海冰类型仍可使用；结构疲劳分析部分，本项目将结构疲劳起始寿命与裂纹扩展寿命结合，给出的破冰船全寿命疲劳强度分析方法对其疲劳寿命的分析更为全面、系统。.综上，本项目从试验、理论、数值方面对破冰船的冰致疲劳做出了系统的研究，为我国破冰船船体结构设计和疲劳评估提供一种科学和完善的方法和手段，提高我国破冰船船体结构设计和疲劳评估的研究水平，并为将来进一步开展破冰船疲劳可靠性分析打下坚实基础。