大型机械结构复合型裂纹随机-非概率诊断方法研究

The imperfectness and the weakeningness of structure itself were the main reasons which caused the accidents. The diagnosis methods for the crack which is one of those reasons are influenced by many uncertainties. The detail information of such uncertainties is always hard to obtain, lead to the incredibleness of the diagnosis results where the uncertainties were analyzed by the stochastic reliability analysis based on mass samples statistics. In order to improve the receivable degree of the failure estimation for structures, firstly study the means of expression for uncertain variables in the affine space and the operation rules of affine arithmetic; construct the hybrid stochastic and non-probabilistic model for reliability analysis; present the crack lifetime reliability analysis model which was modified by composited crack expanding experiment in the multi-affine space by defining the influences of the variables in the crack expanding velocity. Then resolve the model by integrating the dynamic grid partition method and the Monte-Carlo method under the circumstance that the state function changes all the time. Eventually obtain the rules of the composited crack expanding and calculate the estimation of the hybrid reliability model; form the stochastic and non-probabilistic diagnosis method of the composited crack expanding for large scale mechanical structures. This project shall apply the former theoretical achievements in the crack analysis for large-scale float crane on sea; the results shall guide the crack inspecting and provide good influence to safety production.

结构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，但目前针对诸如裂纹这类缺陷的诊断方法受不确定影响因素较大，而这些因素的信息又往往不易获得，使得基于大样本数理统计理论的随机可靠性分析失去数据支持导致诊断结果可靠程度不高。为了提高结构失效评估的可靠程度，本项目首先研究不确定变量在仿射空间下表达方式与运算法则,建立随机-非概率混合可靠性的数学表达式，然后以复合型裂纹为对象，通过界定裂纹速率中变量本身及相互间的影响，给出多维仿射空间转化下的裂纹寿命可靠性分析模型并通过复合型裂纹扩展试验修正;结合裂纹扩展的动态网格划分策略和状态函数不断发生变化情况下的蒙特卡洛模拟方法求解该模型，最终得到复合型裂纹扩展规律及其混合可靠性评价结果，形成大型机械结构复合型裂纹随机-非概率诊断方法；项目将理论成果应用于大型海上浮吊的裂纹分析，并通过实验验证来指导裂纹巡检。

现在的生产工艺水平不能保证机械产品结构件中没有裂纹等缺陷，同时在使用过程中，由于长期的机械载荷、环境温度和各类腐蚀条件的影响，金属结构件中也会产生裂纹。近年来，随着结构的大型、重载、高速化以及工作场地逐步由陆地面向海洋决定了这些大型装备在工作中将受到更为复杂的交变荷载作用，极易出现疲劳裂纹。由于该类结构尺寸巨大，价格极其昂贵往往有数亿乃至数十亿元，一旦发生问题将造成巨大损失，甚至危机自身安全。通常对裂纹的分析与诊断是基于断裂力学理论的，但由于材料本身，载荷特征，结构形状、工作环境等众多影响的复杂性，使得裂纹诊断在面临众多不确定因素时存在较大误差，需要进一步提高可靠程度。.本项目首先研究不确定变量在仿射空间下表达方式与运算法则,建立随机-非概率混合可靠性的数学表达式，并通过改进的乘法准则在减少误差的情况下大幅提高了仿射过程的计算效率；针对裂纹扩展模型，根据断裂准则结合静强度失效方法，将其参数考虑为不确定因素，建立了复合型裂纹扩展寿命的可靠性模型，并通过JC法求解得到复合型裂纹扩展寿命的可靠性变化；考虑到大型机械结构整体相对裂纹本身的尺寸往往较为悬殊，通过动态子模型的方法完成结构裂纹仿真即将裂纹结构的粗糙模型及其子模型，建立在参数化描述基础之上，根据每一个裂纹扩展步下的计算结果，建立粗糙模型与子模型分析结果间数据的动态关联，实现对裂纹扩展后的粗糙模型及其子模型的动态修改，最终得到所需要的裂纹扩展路径及对应的裂纹剩余寿命。项目提出了移动载荷下的复合型裂纹结构剩余寿命预测方法，利用Paris公式研究载荷变化过程中裂纹结构剩余寿命的变化规律，得到载荷位置—裂纹剩余寿命关系曲线。通过裂纹试件的声发射实验，得到了裂纹处的声发射定位次数特征，从实验的角度验证了载荷位置变化对裂纹扩展速率的影响规律。项目还提出了一种权函数自变量方程结合位移外推法来处理裂纹不连续线，避免了目前处理方法中节点和计算点重合时所发生的数值溢出现象，从而为无网格方法应用于裂纹分析提供一条新的手段。.项目利用Ansys二次开发技术构建裂纹诊断模块，使用户通过菜单引导输入裂纹的位置、长度等参数后程序能自动生成含裂纹缺陷的有限元模型并完成结构件的剩余寿命分析。总之项目结合断裂力学基本理论与数值分析方法提出大型机械结构复合型裂纹的随机-非概率诊断方法，提高状态随时间不断变化下复合型裂纹扩展分析的可靠程度与效率。