含裂纹损伤船体典型结构极限强度工程化评估方法研究

Crack is the inevitable damage defect in the large welding structure such as ship. It is quite important to grasp the changes of stress intensity factor for determining ultimate strength of the cracked typical hull structure and for ensuring the hull structural safety operation. Based on the thought of calculating stress intensity factor by maximum crack opening displace proposed by the applicant, by considering the effects of some parameters, such as weld size, tube surface and crack shape, the theory analysis and finite element calculation are employed to establish the expressions of modified coefficients. And the engineering calculated method of stress intensity factor will be proposed, which is suitable for the typical hull structure. On the basis, the model of crack growth rate is presented by maximum crack opening displacement, which is able to consider the retardation effects of overloading. And the phenomenon of crack closure and the evolution law of crack surface are explored. Then, according to the concept of modified stress intensity factor, The criteria of maximum crack opening displacement is proposed by considering the effect of plastic zone at crack tip , and the expression of ultimate strength related to maximum crack opening displacement is established. The engineering evaluation method of ultimate strength for the cracked typical hull structure is proposed, which will lay a foundation for the safety evaluation of hull structure.

裂纹是船舶等大型焊接结构中不可避免的损伤缺陷，掌握裂纹尖端应力强度因子的变化情况是确定含裂纹损伤船体典型结构极限强度的关键，是保证船体结构安全运行的基础。基于申请者已提出的根据裂纹最大张口位移确定应力强度因子的思路，本课题将通过理论分析和系列的有限元计算，考虑焊接尺寸、圆管曲面和裂纹形状等参数的影响，建立对应修正系数的数学模型，提出适用于船体典型结构的应力强度因子工程化计算方法。在此基础上，建立以裂纹最大张口位移为基础的考虑超载迟滞效应的裂纹扩展速率模型，探究裂纹闭合现象和裂纹面的演变规律。再根据修正应力强度因子定义，提出考虑裂纹尖端塑性区影响的裂纹最大张口位移判定准则，建立与最大张口位移相关的极限强度表达式，提出含裂纹损伤船体典型结构极限强度工程化评估方法，为实际工程中船体结构的安全评估奠定基础。

船舶等大型结构在焊接过程中不可避免的产生裂纹损伤，掌握与结构剩余强度直接相关的裂纹尖端应力强度因子以及裂纹扩展规律是保证船体结构安全运行的前提条件。基于此，本项目主要研究了含裂纹损伤船体典型结构中裂纹尖端应力强度因子的计算方法；在适用于工程应用的裂纹扩展模型研究中，建立了裂纹尖端塑性区和张开应力量化模型；在含裂纹损伤极限强度评估中，建立了剩余强度因子概念，提出了含裂纹损伤船体典型结构剩余强度模型。.基于第一个研究内容，建立了基于裂纹表面最大张口位移确定裂纹尖端应力强度因子的简便方法，编制了由裂纹表面最大张口位移估算含裂纹损伤板板焊接结构的裂纹深度进而确定裂纹深度方向应力强度因子的软件，获授权软件著作权一项，同时发表相关论文4篇（其中EI 3篇），并参加了ISOPE国际会议，汇报相关成果，引起相关学者的注重；指导硕士生2名，已完成硕士论文1篇。.基于第二个研究内容，建立了基于裂纹最大张口位移变化量确定裂纹尖端塑性区尺寸和张开应力的简便方法，该方法不仅弥补了压应力作用下无法直接估算裂纹尖端塑性区尺寸的空白，而且消除了裂纹长度、模型边界效应、材料屈服极限、外加载荷大小、横向应力及材料硬化指数等因素的影响，具有较广的适用范围。该方法的建立尤其是张开应力的确定将进一步确定有效应力强度因子的大小为适用于工程结构的裂纹扩展模型的提出奠定基础。对于这一方面的研究已在《Engineering Fracture Mechanics》国际期刊上发表SCI论文2篇，在国内EI期刊上发表论文2篇。将投稿SCI论文1篇。.基于第三个研究内容，建立了与应力强度因子和材料断裂韧性相关的剩余强度因子概念，提出了裂纹最大张口位移与剩余强度因子之间的对应关系，实现了基于裂纹最大张口位移确定含裂纹损伤结构剩余强度的简便方法。该方法消除了裂纹尺寸、裂纹角度、外加载荷、模型宽度等多种因素的影响，具有较广的适用范围。对于这一方面的研究已完成本科生毕业论文1篇，相关研究成果正在整理，已投稿EI论文一篇（再审状态）。