冰区海洋平台的时变疲劳可靠性分析

冰区海洋平台在交变冰力作用下的管节点疲劳是影响平台安全的主要因素。本文结合现有的冰疲劳环境荷载及冰力谱函数,提出了相对于冰速、冰厚随机冰载的管节点应力幅显式近似计算公式;将海洋平台管节点的全寿命划分为裂纹萌生和扩展两个阶段,分别采用S-N曲线法和Paris公式来计算相应的寿命;并考虑了管节点抗力随时间的衰减,得到了时变疲劳可靠性计算公式;最后对渤海JZ20-2 MSW平台进行时变疲劳可靠性分析。结果表明,本文提出的疲劳应力幅近似计算方法和时变可靠性分析方法是合理有效的。     

海洋平台K型管节点的疲劳裂纹扩展分析Ⅱ:数值分析

对于已含初始裂纹平台管节点的寿命预测很大程度上依靠应力强度因子的精确值,而复杂载荷条件下的节点应力强度因子的计算尚无参数方程直接确定.本文提出了一种含表面裂纹的K节点的有限元网格产生方法,即把整个K节点划分为几个子区域,每个子区域的网格具有不同类型的单元和不同的密度.这种方法在控制网格密度,尤其是控制沿着裂纹边缘单元的边长比方面有其独特的优越性,当所有子区域的网格自动产生后,容易得到整个结构的有限元模型.同时用J积分和位移外推插值法分别计算了一个K型节点沿着裂纹前缘的应力强度因子值,发现:试验得到的应力强度因子值和提出的模型计算结果非常吻合,证明了所提有限元模型的准确性.     

基于等效结构应力法的铸钢分叉节点环形对接焊缝的疲劳分析

为了掌握铸钢分叉节点与构件连接时焊缝的疲劳性能,利用等效结构应力法对铸钢分叉节点的环形对接焊缝进行了疲劳分析。通过等效结构应力场和缺口应力场确定网格不敏感结构应力,并综合考虑裂纹扩展、缺口应力和疲劳寿命等影响因素,实现等效结构应力的转化,再结合疲劳设计主S-N曲线对焊缝的疲劳寿命进行计算;在ABAQUS静力分析的基础上,利用基于等效结构应力法原理而开发的有限元分析软件FE-SAFE/VERITY,对铸钢分叉节点环形对接焊缝的疲劳寿命进行了分析。研究结果表明:铸钢分叉节点主管端部的环形对接焊缝最危险处的循环次数为105.711;等效结构应力法具有网格不敏感性,利用等效结构应力法能够较好地预测铸钢分叉节点环形对接焊缝的疲劳寿命。     

一种估算焊接节点S-N曲线的方法

本文以光滑材料试件的S-N曲线为基础,考虑了焊接节点的几何形状、加载形式、残余应力、应力比、尺寸等因素对疲劳寿命的影响,提出了一种估算节点S-N 曲线的方法.文中将几类节点疲劳实验结果与估算结果比较,两者吻合较好.从而可望为工程上估算节点 S-N 曲线提供一种有效的方法.     

海洋平台K型管节点的疲劳裂纹扩展分析 II:数值分析

对于已含初始裂纹平台管节点的寿命预测很大程度上依靠应力强度因子的精确值,而复杂载荷条件下的节点应力强度因子的计算尚无参数方程直接确定。本文提出了一种含表面裂纹的K节点的有限元网格产生方法,即把整个K节点划分为几个子区域,每个子区域的网格具有不同类型的单元和不同的密度。这种方法在控制网格密度,尤其是控制沿着裂纹边缘单元的边长比方面有其独特的优越性,当所有子区域的网格自动产生后,容易得到整个结构的有限元模型。同时用J积分和位移外推插值法分别计算了一个K型节点沿着裂纹前缘的应力强度因子值,发现:试验得到的应力强度因子值和提出的模型计算结果非常吻合,证明了所提有限元模型的准确性。     

基于离散元-有限元模型的冰激锥体海洋平台结构振动分析

冰荷载是影响海洋平台结构及其上部设备作业安全的重要因素。针对海洋平台与海冰相互作用的动力过程,采用具有粘接-破碎性能的离散元方法(DEM)对海冰的破碎特性进行分析,采用有限元方法(FEM)对海洋平台结构的动力响应进行计算;同时考虑海冰与海洋平台结构的耦合作用,将海冰的离散元方法与海洋平台结构的有限元方法相结合,建立了冰激海洋平台结构振动的DEM-FEM模型,并由此计算海冰作用下海洋平台结构的振动响应以及冰荷载特性。     

基于损伤力学的复杂航空构件疲劳寿命预估

为提高复杂航空构件疲劳寿命的分析精度,降低对试验的依赖程度,本文基于考虑局部应力状态的损伤力学理论,利用USDFLD子程序将损伤控制方程嵌入ABAQUS中,对航空挡块结构的疲劳寿命进行了预估仿真试验,实现了评估复杂构件裂纹萌生寿命的损伤力学-有限元分析方法,并与名义应力法的分析结果进行了对比。发现对于本次试验的预估,损伤力学法和名义应力法计算寿命与试验平均寿命的相对误差分别为6.9%和20%。因此,对于复杂结构形式,损伤力学法具有更高的精度,可以大大减少疲劳试验数量。     

八节点等参边界元在复杂结构细部“未开裂应力”计算中的应用

本文研究八节点等参边界元在海洋工程结构强度分析中的应用,着重进行复杂结构细部断裂分析或疲劳寿命估算时“未开裂应力”的计算。文章通过厚壁圆筒和十字型管状节头计算某些“未开裂”处的应力分布,作为裂纹体模型的“未开裂应力”,研究表明:采用八节点等参边界元,即使划分很少的单元和选用很少的节点其计算结果的精度还是令人满意的,本文还讨论了有效的奇异积分的数值处理方法。     

一个高周疲劳损伤演化修正模型

将连续损伤力学应用到疲劳问题中, 得到合理的疲劳损伤演化方程,被认为是预测疲劳寿命最有效的方法之一. 在研究Lemaitre最新疲劳损伤演化方程基础上, 根据试验数据提出了一个修正的高周疲劳损伤演化方程, 该方程可以考虑应力幅、平均应力等影响因素. 以2A12-T4铝合金为例, 得到了修正模型的材料常数. 将该修正模型以UMAT子程序形式嵌入ABAQUS主程序, 计算了两种构件14种不同受载情况下的疲劳寿命, 所得计算寿命与试验结果误差均值约15%, 说明修正的疲劳损伤演化方程可以很好地计算金属构件的高周疲劳寿命.      

海洋平台X型管节点应力集中系数计算

本文以海洋平台中X型管节点为例,以ABAQUS为分析工具,计算了管节点在主要加载方式下的应力分布,尤其关注几何学上的最危险地带——撑管和弦管交汇处的应力集中系数.根据有限元计算结果绘出应力集中系数曲线,并与其它学者所得到的结果进行了对比.结果表明,从一定的精度意义和应力分布趋势来看,本文所得结果具有可靠性.从X型接头可以推广至其他型式,为分析各种环境条件分别对平台管架结构应力集中的影响、推导各种载荷作用下的海洋平台导管架应力、弯矩参数方程奠定了基础.     

海洋平台K型管节点的疲劳裂纹扩展分析Ⅰ:试验测试

对承受疲劳载荷的海洋平台K型管节点首先进行了静力测试,确定了沿着焊缝的热应力区的应力分布及热应力区最大应力点的位置,从而判断裂纹产生的位置;然后通过专用测试设备提供循环疲劳载荷,用ACPD(Alternating Current Potential Drop,即交流电流势能落差法)技术检测裂纹的产生和增长过程,得到裂纹最深点,用S-N曲线估算其疲劳寿命。对已有裂纹的K型管节点,用应力强度因子估计其剩余寿命。同时用测试的结果验证了S-N的准确性和可靠性。     

A new theoretical approach for structural modelling of riveted and spot welded multi-spot structures

A general theoretical approach based on theory of elasticity is presented in order to define the structural behaviour of riveted and spot welded joints. The new closed form solutions lead to the definition of a joint element useful to FE models of riveted or spot welded multi-spot structures. The objective is an accurate evaluation of the local elastic stiffness of spot joints in FE analysis, which is fundamental to perform a reliable simulation of multi-joint structures and, consequently, a good estimate of loads acting on spots; this makes it possible to introduce structural stress or new general criteria allowing, for example, to predict fatigue behaviour. On the other hand, a low entry of degrees of freedom is needed when several spot joints are present in a complex structure. The goal is to reach a reliable spot region model which can be used as the basis to develop a spot element in FE analysis. In the present paper, based on new closed form solutions, a spot element is introduced, so as to precisely evaluate both local and overall stiffness both of spot welded joints and riveted joints. Based on the stress function approach and the Kirchhoff plate theory in linear elastic hypotheses, closed-form in-plane stress, displacement, moment and transverse shear force solutions are derived for a new bidimensional model, subjected to various types of loads. The capability to simulate spot welds or rivets depends on the definition of two elastic parameters intrinsic in closed form solutions, that tunes the theoretical model according to actual joint behaviour.The proposed joint element combines the precision in the simulation with a very limited number degrees of freedom in the overall finite element model of an actual multi-spot structure.The results obtained using the introduced theoretical framework and spot element approach perfectly match those obtained using very refined FE models and experimental data.     

欧洲近海结构用钢研究计划的进展

欧洲近海结构用钢研究计划在第一阶段(1975—80年)关于海洋焊接结构在疲劳载荷下工作性能的研究基础上,于1981—87年继续进行了第二阶段的研究工作。参加国家有欧洲经济共同体6国及挪威、加拿大等。本文综合报道第二阶段研究情况与主要成果,内容包括:板厚对疲劳强度的影响,焊后改进技术与腐蚀疲劳,疲劳载荷及变幅疲劳试验,疲劳分析的断裂力学方法,某些管节点的应力分析等;并对研究计划的背景及今后研究工作的方向作了介绍。      

空间管状接头应力分析的半解析法

采用半解析法为空间管状接头应力分析提供了一种有效的手段，此法未对接头的形式和受载条件作任何假设，大大拓宽了过去半解析法只局限于平面管接头应力分析的应用范围，与有限元法相比，具有计算量小、前处理简单、内存要求低、简便易行等优点。通过两个数值计算例题与试验值比较后显示了本法的可行性与优越性。     

空间管状接头应力分析的半解析法

采用半解析法为空间管状接头应力分析提供了一种有效的手段，此法未对接头的形式和受载条件作任何假设，大大拓宽了过去半解析法只局限于平面管接头应力分析的应用范围，与有限元法相比，具有计算量小、前处理简单、内存要求低、简便易行等优点。通过两个数值计算例题与试验值比较后显示了本法的可行性与优越性。     

海洋平台管节点应力分析研究工作展望

本文在我国目前海洋平台管节点研究工作的基础上,提出今后管节点应力分析研究的几点意见,包括对复杂管节点及组合载荷作用下的研究,管节点静强度应从冲剪强度准则转向极限强度准则的研究,弹-塑性分析的研究,以及管节点局部变形的研究等.对上述研究方向的目的、意义及作法等提出了看法.      

Predicting the fatigue life and crack aspect ratio evolution in complex structures

This paper discusses a computationally efficient method for determining the behaviour of complex structures containing three-dimensional cracks. A simple method is presented for calculating the mode I stress intensities for semi-elliptical cracks emanating from the saddle point of two intersecting tubular members. This method, which gives results in good agreement with published values, uses the finite element technique, but does not require the crack to be modelled explicitly. The technique is then used, in conjunction with FASTRAN II, to study fatigue crack growth and the results are compared to experimental data. Good agreement is achieved between both the predicted and measured fatigue crack growth and the evolution of the crack aspect ratios.     

球壳中球形夹杂对SV波的三维散射与动应力集中研究

结构中夹杂将导致应力集中,是降低结构承载能力重要影响因素,尤其是动载作用情况下,弹性波衍射和叠加将加剧应力集中程度。弹性波衍射方程建立和求解非常复杂,目前主要研究对象集中在二维模型情况,三维有限域内夹杂引起的动应力集中现象在大型结构中比较常见,有界域边界不仅作为边界条件,同时也是散射波波源,提高了求解难度。一般通过近似方法,将三维模型简化为二维情况,往往导致求解结果过于保守不能解释实际问题。本文针对三维球壳包含夹杂一般情况,分别以球壳和夹杂中心建立球坐标以描述球壳内、外壁和夹杂表面散射波势函数,并引入一种球波函数加法公式实现不同坐标下势函数转换,以求解应力集中状态。最后针对三维情况,给出多个动应力集中因子分布状态以描述动应力集中程度。文中研究为一般情况下含夹杂球壳结构的强度分析提供了理论支撑。     

基于结构应力的焊接接头多轴高周疲劳寿命估算

本文对承受弯扭组合载荷下的焊接接头危险点焊趾处进行了疲劳应力分析。结合结构应力考察了在比例载荷和非比例载荷下焊趾处临界面上的应力分量;建立了基于结构应力和修改的Wohler曲线法的临界面上多轴疲劳寿命估算方法;采用该方法对某管板焊接接头进行了多轴估算,将评定结果与文献中的疲劳试验数据做了比较,同包括欧洲钢结构规范3在内的其他的多轴疲劳评定方法相比,本文提出的多轴寿命估算结果最好,而且该方法具有网格划分不敏感性。