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共线双裂纹应力强度因子计算方法

华中科技大学学报（自然科学版） 2017年第4期45卷 61-67页

作者：陈景杰范新帅黄一大连理工大学船舶工程学院辽宁大连116024

为了在工程中快速准确地估算含共线双裂纹平板表面及最大裂纹深度位置的应力强度因子,提出一种基于裂纹表面最大张口位移估算三维体表面共线双裂纹沿表面及深度方向应力强度因子的新方法.该方法首先以三维体表面单裂纹沿表面和深度方向... 详细信息

为了在工程中快速准确地估算含共线双裂纹平板表面及最大裂纹深度位置的应力强度因子,提出一种基于裂纹表面最大张口位移估算三维体表面共线双裂纹沿表面及深度方向应力强度因子的新方法.该方法首先以三维体表面单裂纹沿表面和深度方向应力强度因子为基础,通过简单修正,提出了共线双裂纹应力强度因子的计算模型;然后基于有限元数值模拟,考虑了共线双裂纹的间距、裂纹形状比和裂纹长度比等因素对修正系数的影响,建立了多种情况下共线双裂纹应力强度因子的修正系数的量化模型;最后得到了适合工程应用的基于裂纹表面最大张口位移估算共线双裂纹应力强度因子的简便方法.

关键词：应力强度因子共线裂纹表面点深度点最大张口位移

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基于裂纹塑性区影响的疲劳裂纹扩展研究

基于裂纹塑性区影响的疲劳裂纹扩展研究

作者：尤萌大连理工大学

学位级别：硕士

疲劳与断裂是船舶与海洋结构物常见的失效形式。由于裂纹尖端塑性区影响,裂纹扩展过程中发生裂纹闭合现象,裂纹张开应力与裂纹扩展速率密切相关。对于工程中准确评估含裂纹损伤构件的疲劳寿命,裂纹张开应力的评估是亟待解决的重要问题... 详细信息

疲劳与断裂是船舶与海洋结构物常见的失效形式。由于裂纹尖端塑性区影响,裂纹扩展过程中发生裂纹闭合现象,裂纹张开应力与裂纹扩展速率密切相关。对于工程中准确评估含裂纹损伤构件的疲劳寿命,裂纹张开应力的评估是亟待解决的重要问题。目前对裂纹张开应力的研究,大部分的数值分析主要是和裂纹尖端场的计算有关,而裂纹尖端断裂参数在工程实际中不能方便地获取;解析法主要基于一定的理想化理论假设;实验测量获得的经验公式主要适用于实验中的材料种类和载荷条件。裂纹张开应力的评估模型无法广泛运用于工程实际。本文引入远离裂纹尖端的断裂参数即裂纹最大张口位移变化量,通过断裂力学理论分析、二维弹塑性有限元分析和实验验证三个角度,对基于塑性区影响的疲劳裂纹扩展展开了研究。首先,理论分析了张开应力与裂纹最大张口位移的内在联系。在常幅循环拉伸载荷条件下,通过二维弹塑性有限元分析,提出由裂纹最大张口位移变化量估算中心裂纹穿透板张开应力的计算模型。该模型已考虑裂纹初始长度、屈服应力、应力比、弹性模量、应变硬化和横向应力的影响。进一步根据裂纹闭合理论,建立以最大张口位移变化量为基础的裂纹扩展速率模型,该模型预测裂纹扩展速率结果与实验结果相一致。其次,针对单次过载、多次连续过载,考虑了过载比、应力比和材料特性的影响,通过弹塑性有限元分析建立张开应力与最大张口位移变化量的函数关系,该函数关系适用于不同形式的连续拉伸过载的硬化金属材料;对于间断过载,量化分析了过载距离对裂纹扩展的影响,发现了当过载距离等于0.23倍高载塑性区时迟滞效应最强,为工程上获得最佳迟滞效果提供了有效的施加方案。最后,在常幅循环拉压载荷条件下,研究了压载荷对张开应力的影响,提出由裂纹最大张口位移变化量估算裂纹张开应力的计算模型。并分析了外载荷、裂纹初始长度、屈服应力、弹性模量、应变硬化和包辛格效应对该模型的影响。运用该模型描述材料的裂纹扩展速率实验结果,可以使不同负应力比的裂纹扩展速率凝聚到单一曲线上。本文建立了描述裂纹闭合现象的以裂纹最大张口位移变化量为基础的裂纹扩展速率模型,为工程实际中含裂纹损伤构件的疲劳寿命评估提供了参考。

关键词：张开应力最大张口位移裂纹扩展弹塑性有限元分析

含表面裂纹损伤船体典型结构应力强度因子简化计算方法研究

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含表面裂纹损伤船体典型结构应力强度因子简化计算方法研究

作者：叶申大连理工大学

学位级别：硕士

T型板板焊接结构作为船体结构中典型的非平板构件,其焊趾处含表面裂纹的损伤情况是值得关心并需认真考量的。对于含表面裂纹构件损伤程度的判断,一般通过数值方法加以确定;工程上还会采取Irwin或者Newman的简化计算方法来对裂纹尖端应... 详细信息

T型板板焊接结构作为船体结构中典型的非平板构件,其焊趾处含表面裂纹的损伤情况是值得关心并需认真考量的。对于含表面裂纹构件损伤程度的判断,一般通过数值方法加以确定;工程上还会采取Irwin或者Newman的简化计算方法来对裂纹尖端应力强度因子进行估算。但是数值计算的过程过于繁琐,简化的计算方法又需要提供裂纹深度等工程上难以精确测量的参数,所有这些问题都对应力强度因子的计算方法提出了新的要求：如果能够通过对含表面裂纹的结构体进行简单的测量,从而使得在工作条件下便可直接获得结构表面裂纹的应力强度因子值,这将为工程上获取含裂纹结构体的服役状况提供非常便捷有效的支持,对快速判断结构损伤情况有着重大的参考意义。本文以船体结构典型构件——T型平板接头为研究对象,尝试基于表面裂纹的最大张口位移来计算裂纹应力强度因子,探索了在拉伸载荷、弯曲载荷和复合载荷作用下,应用最大张口位移法求解T型平板接头应力强度因子的过程,解决了非平板结构在应用最大张口位移法求解应力强度因子的过程中两个核心问题,并给出了应力强度因子求解函数,成功实现了通过测量T型平板接头的表面裂纹张口位移直接获得其裂纹尖端应力强度因子的研究目标;通过与有限元数值计算结果的比照,表明本方法可以有效考虑含表面裂纹T型平板接头的应力强度因子值,具有很好的计算精度。其次,在获得了多种载荷作用下T型平板接头应力强度因子的求解函数后,将求解函数的适用范围进一步拓展,通过实例验证证实了本方法对非T型的板板焊接结构同样适用,大大拓展了本文的应用范围;同时以上述研究成果为基础,给出了船舶与海洋结构物含表面裂纹构件应力强度因子计算软件,通过界面化的操作和参数化的赋值,为工程上的推广和应用提供了很大的便利。

关键词：最大张口位移应力强度因子张口位移修正系数应力强度因子修正系数

循环载荷作用下裂纹尖端张口位移估算方法研究

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循环载荷作用下裂纹尖端张口位移估算方法研究

作者：姜良伟大连理工大学

学位级别：硕士

裂纹尖端张口位移是评价韧性材料裂纹扩展和断裂行为的主要参量之一,对船舶与海洋结构物服役期内的安全状态评估具有重要的意义。有限元方法是目前研究裂纹尖端张口位移问题时广泛采用的方法之一。本文基于断裂力学理论,结合有限元分析... 详细信息

裂纹尖端张口位移是评价韧性材料裂纹扩展和断裂行为的主要参量之一,对船舶与海洋结构物服役期内的安全状态评估具有重要的意义。有限元方法是目前研究裂纹尖端张口位移问题时广泛采用的方法之一。本文基于断裂力学理论,结合有限元分析技术,研究循环载荷下含中心穿透裂纹的平板模型的裂纹尖端张口位移变化规律,建立裂纹尖端张口位移计算模型,为疲劳裂纹扩展和断裂评估提供依据。本文主要工作归纳如下:首先,建立常幅循环载荷下裂纹尖端张口位移计算模型。引入最大张口位移,通过理论推导,证明裂纹尖端张口位移与最大张口位移之间存在一定关系。结合有限元计算技术,建立基于最大张口位移的裂纹尖端张口位移计算模型,并进一步考虑了裂纹长度、平板宽度、大范围屈服、载荷形式(应力比和载荷波形)、材料特性(弹性模量、屈服强度和材料硬化)对已建立模型的影响。根据应变能密度等效原则,将硬化材料模型转化为等效理想弹塑性材料模型,对计算模型进行修正,以提高该计算模型的工程实际应用价值。其次,建立变幅循环载荷下裂纹尖端张口位移计算模型。在常幅循环载荷的基础上,考虑加载顺序的影响。基于裂纹扩展加速效应,结合有限元计算,计算不同加载顺序(高-低幅载荷和低-高幅载荷加载顺序)下的裂纹尖端张口位移的变化规律,建立变幅循环载荷作用下裂纹尖端张口位移和最大张口位移之间的函数关系,从裂纹尖端张口位移的角度解释裂纹扩展加速现象。最后,建立拉-压载荷作用下裂纹尖端张口位移计算模型。在变幅拉伸循环载荷的基础上,进一步考虑压载荷对裂纹尖端张口位移减小量的影响,建立拉-压载荷条件下基于压载荷的裂纹尖端张口位移计算模型。利用有限元方法,研究了平板宽度、裂纹长度、外载荷(最大拉应力和最大压应力)以及材料参数(屈服强度、弹性模量、材料硬化)对裂纹尖端张口位移减小量的影响。计算结果表明,该模型适用于拉-压载荷作用下不同材料的有限平板模型,填补了压载条件下裂纹尖端张口位移量化研究的空白。

关键词：中心穿透裂纹交变载荷裂纹尖端张口位移最大张口位移压载荷

考虑腐蚀影响的含裂纹船体典型构件剩余强度研究

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考虑腐蚀影响的含裂纹船体典型构件剩余强度研究

作者：彭晓亮大连理工大学

学位级别：硕士

船舶与海洋结构物长期受到交变载荷的联合作用,焊接部位很容易出现疲劳裂纹。对于含穿透裂纹T型焊接板剩余强度的研究,一般选取应力强度因子作为评估参数,采用有限元模拟的方法,结合线弹性断裂力学理论进行剩余强度的评估。船舶与海洋... 详细信息

船舶与海洋结构物长期受到交变载荷的联合作用,焊接部位很容易出现疲劳裂纹。对于含穿透裂纹T型焊接板剩余强度的研究,一般选取应力强度因子作为评估参数,采用有限元模拟的方法,结合线弹性断裂力学理论进行剩余强度的评估。船舶与海洋结构物在整个服役期间,腐蚀是不得不考虑的重要影响因素,裂纹与腐蚀在耦合作用下对结构的损伤远远大于单一因素的影响。因此本文在对含穿透裂纹T型焊接板研究的基础上,考虑非均匀腐蚀因素的影响,研究T型焊接板在裂纹与非均匀腐蚀共同作用下,结构剩余强度的变化规律。首先通过平板三维穿透裂纹,确定有限元模型计算结果的准确性。找到应力强度因子沿厚度方向分布的主要影响因素,尝试建立应力强度因子沿厚度方向分布图。接下来建立含穿透裂纹T型焊接板,通过有限元计算确定应力强度因子沿厚度方向的分布规律,找到影响应力强度因子分布的主要因素,并确定应力强度因子最大值的出现位置。结合裂纹最大张口位移理论,建立应力强度因子最大值与最大张口位移之间的函数关系式。最后,由于实体单元模型计算时间长以及模拟非均匀腐蚀的复杂性,本文尝试建立一种新的计算方法。将分形理论创建的非均匀腐蚀表面赋予简化壳单元计算模型,利用非均匀腐蚀壳单元模型应力强度因子计算结果,结合壳单元与实体单元之间的函数关系式,计算出实体单元模型在非均匀腐蚀下应力强度因子的大小。接着建立T型焊接板实体非均匀腐蚀有限元模型,对上述计算结果的正确性进行验证。最后结合线弹性断裂力学准则,评估含裂纹T型焊接板在非均匀腐蚀下剩余强度的大小。

关键词：裂纹非均匀腐蚀应力强度因子最大张口位移 T型焊接板

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考虑厚度效应的裂尖张口位移的量化研究

考虑厚度效应的裂尖张口位移的量化研究

作者：林佰东大连理工大学

学位级别：硕士

裂纹尖端张口位移（CTOD）是评价含裂纹构件是否发生裂纹扩展的重要参数之一,目前大部分学者对CTOD的研究大多集中于二维平面应变状态,对于考虑厚度效应对CTOD的影响研究较少,这必然导致最终结果与实际尺寸相比存在一定误差。因此,有必... 详细信息

裂纹尖端张口位移（CTOD）是评价含裂纹构件是否发生裂纹扩展的重要参数之一,目前大部分学者对CTOD的研究大多集中于二维平面应变状态,对于考虑厚度效应对CTOD的影响研究较少,这必然导致最终结果与实际尺寸相比存在一定误差。因此,有必要对三维结构裂纹尖端张口位移进行量化研究。本文以中心穿透裂纹的有限厚度板为研究对象,采用有限元技术,建立了考虑厚度效应的CTOD量化模型,为疲劳裂纹扩展和断裂评估提供依据。本文主要工作归纳如下:首先,利用有限元建立了静态载荷作用下三维含中心穿透裂纹船体板的CTOD计算模型,引入裂纹最大张口位移（MCOD）,通过断裂力学理论推导可以得知,在考虑板厚的情况下,CTOD和MCOD存在着定量的关系。经过有限元分析与整理,并结合最小二乘法,得出归一化的CTOD与MCOD之间的量化关系。在此函数关系的基础上,考虑了裂纹半长（a）、外加应力（σ）、板宽效应、材料属性（屈服极限、泊松比以及杨氏模量）以及板的厚度对公式的影响。接下来引入了板厚折减系数,进一步研究了在板厚确定的情况下沿着板厚方向不同位置处的归一化的CTOD与MCOD之间的关系,得到了适用于不同板厚位置出的CTOD的量化关系式。其次,本文以单向拉伸载荷下的三维裂纹板为基础,研究了循环载荷作用考虑板厚效应的裂纹尖端张口位移计算公式。在研究循环载荷作用考虑板厚效应的裂纹尖端张口位移计算公式时,本文给出了卸载以及第二次加载时裂纹尖端张口位移的计算公式。同时结合第二章,引入板厚折减系数,得到了非平板中面位置处裂纹尖端张口位移的计算公式。接着,本文研究了变幅循环载荷作用考虑板厚效应的裂纹尖端张口位移的计算公式。本文考虑了两种不同的加载方式,分别为高-低、低-高加载。通过数值计算和数据拟合,得到了变幅循环载荷作用考虑板厚效应的裂纹尖端张口位移计算公式。最后,本文探究了压载载荷作用下板厚中面位置处的裂纹尖端张口位移的计算公式。并考虑了外加应力（σ）、裂纹半长（a）、板宽效应以及材料属性（屈服极限、泊松比以及杨氏模量）对函数关系的影响。

关键词：三维裂纹板裂纹尖端张口位移循环载荷最大张口位移板厚折减系数

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裂纹扩展过程中裂尖张口位移的量化研究

裂纹扩展过程中裂尖张口位移的量化研究

作者：吴志杰大连理工大学

学位级别：硕士

裂纹尖端的张口位移是描述韧性材料发生裂纹扩展的主要参数之一,现代船舶及海洋结构物的建造需要大量使用钢材,而断裂失效是这些钢材结构破坏的常见形式之一。由于裂纹扩展这一动态过程增加了裂纹尖端应力应变场的复杂性,目前对裂纹尖... 详细信息

裂纹尖端的张口位移是描述韧性材料发生裂纹扩展的主要参数之一,现代船舶及海洋结构物的建造需要大量使用钢材,而断裂失效是这些钢材结构破坏的常见形式之一。由于裂纹扩展这一动态过程增加了裂纹尖端应力应变场的复杂性,目前对裂纹尖端张开位移的研究主要是在静态裂纹的情况下进行,而有限元方法是研究此类问题时主要采用的途径之一。本文基于弹塑性断裂力学,采用有限元数值模拟计算,研究循环载荷作用下的含中心穿透裂纹平板在裂纹扩展过程中的裂尖张口位移幅值变化规律,建立裂尖张口位移幅值的简单计算模型,为材料的断裂评估和裂纹的扩展提供参考。本文的主要工作归纳如下:首先,引入最大张口位移参量,在常幅循环拉伸载荷的情况下,通过理论分析证明了最大张口位移幅值和裂纹尖端张口位移幅值之间存在内在的联系,接着采用有限元数值仿真,建立裂纹扩展情况下的基于最大张口位移幅值的裂纹尖端张口位移幅值的计算模型,并进一步分析了大范围屈服、平板宽度、初始裂纹长度、应力比、材料特性(屈服强度、弹性模量和材料硬化)对建立的模型构成的影响,从而对已建立的评估公式进行修正以提高其适用范围。其次,在常幅循环拉伸载荷的基础上考虑拉伸过载的影响,计算结果表明拉伸过载显著地增加了裂尖张口位移幅值,之后随着裂纹的扩展裂尖张口位移幅值逐渐减小,最后又逐渐恢复到过载之前的稳定值。过载之后裂尖张口位移的减小解释了裂纹扩展的拉伸过载迟滞效应,并且过载后的裂尖张口位移幅值的稳定值可以采用前面的公式进行评估。最后,在常幅循环拉伸载荷作用的基础上研究了压载荷的作用对裂尖张口位移的影响,建立了循环拉压载荷作用下基于裂纹最大张开位移幅值评估裂尖张口位移幅值的计算公式。并进一步探究了外载荷、材料特性(屈服强度、弹性模量和材料硬化)及平板宽度与初始裂纹长度比值的影响,从而对建立的评估公式进行修正以提高其适用范围。

关键词：最大张口位移裂尖张口位移拉伸过载压载荷裂纹扩展

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裂纹表面位置应力强度因子计算方法研究

裂纹表面位置应力强度因子计算方法研究

第九届武汉地区船舶与海洋工程研究生学术论坛

作者：范新帅陈景杰黄一船舶工程学院大连理工大学

为了快速准确地评估含半椭圆表面裂纹沿平板表面的扩展状态,提出一种估算表面位置处应力强度因子的方法。首先根据无限大体埋藏椭圆裂纹前端应力强度因子以及同条件下最大张口位移与椭圆裂纹短轴方向长度关系,推导含表面裂纹平板裂纹长... 详细信息

为了快速准确地评估含半椭圆表面裂纹沿平板表面的扩展状态,提出一种估算表面位置处应力强度因子的方法。首先根据无限大体埋藏椭圆裂纹前端应力强度因子以及同条件下最大张口位移与椭圆裂纹短轴方向长度关系,推导含表面裂纹平板裂纹长轴方向表面点处应力强度因子与最大张口位移的关系。然后采用有限元数值模拟,确定了代替表面点处应力强度因子的表面以下一点具体位置,并且利用Newman公式对其准确性进行了验证。接着提出了仅与板厚及裂纹形状相关的修正系数,从而建立了基于表面裂纹最大张口位移计算含表面半椭圆裂纹平板表面点处应力强度因子计算方法。

关键词：表面裂纹应力强度因子最大张口位移表面位置

来源： cnki会议评论

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斜裂纹裂尖塑性区尺寸计算方法研究

斜裂纹裂尖塑性区尺寸计算方法研究