[发明专利]船体典型焊接结构表面裂纹应力强度因子的估算方法

说明书

技术领域：

本发明涉及的是船体典型焊接结构表面裂纹应力强度因子的估算方法。

背景技术：

船舶等大型结构在焊接过程中不可避免地产生的各种微观和宏观缺陷，在波浪力、潮流力、海风力和作业时的各种动力等交变载荷的作用下，应力集中较严重的焊趾部位的缺陷极易发展成为形状接近于半椭圆的表面裂纹。在持续外界载荷的作用中，表面裂纹将会不断发生扩展而穿透钢板形成穿透裂纹。由于船体结构具有大量的冗余度，表面裂纹甚至穿透裂纹的出现并不意味着含裂纹区域的破坏，只有裂纹尖端的断裂参数——应力强度因子达到临界值时，裂纹才发生失稳扩展，导致船体相应结构的承载能力达到极限而破坏。因此，为了保证船体典型结构在有效服役期内不发生整体断裂破坏，需要掌握与结构极限强度直接相关的主要控制因素——裂纹尖端应力强度因子。

应力强度因子是一个对于结构的剩余强度安全评定、寿命估算、失效分析和材料的断裂韧性测量等都非常重要的力学参量。多年来，研究者利用各种解析方法、数值方法、实验方法或工程估计的方法，努力寻求尽可能精确的应力强度因子解。目前各种应力强度因子解析方法都是以裂纹尖端附近区域的应力场和位移场的基本方程为出发点，基于复变函数理论、积分变换、弹性力学守恒律及复变-变分方法经过系列推导获得的。然而这些解析方法停留在理想模型和简单的边界条件上，对于实际工程中复杂载荷作用下的复杂结构难以适用，需要借助其他方法求解应力强度因子。现有的测定应力强度因子的实验方法主要有光弹性法、焦散线法和PVDF测量法等，这些实验方法都是通过测量裂纹尖端附近的某一变量来间接测定裂纹尖端应力强度因子。然而由于裂纹尖端附近的变量在数级上很小，不仅需要测量仪具有极高测量精度，而且要求如应变片等测量试件具有极小尺寸，这将导致试验费用增加、操作难度增大，在实际工程中难以应用。目前，随着计算机技术的迅速发展，有限元法以其强大的模拟和数值计算功能在工程上已经得到广泛的应用，特别是可以直接利用裂纹尖端附近有限元节点力或位移的计算值，推算出裂纹尖端的应力强度因子。但在解决实际大型结构问题时，有限元法仍然存在以下一些困难，如(1)难以准确地获得结构复杂的外载荷与变形数据，从而导致裂纹尖端附近应力场的计算结果可能会有较大的误差，直接影响应力强度因子的计算精度；(2)要对整个三维结构进行离散，而且由于裂纹尖端附近应力场的奇异性，不得不划分十分密集的网格，或采用奇异元等特殊的有限元技术，所以数据准备工作量非常大，如较复杂的船体典型结构，其含表面裂纹的三维实体有限元模型建立困难，导致有限元法计算大型结构应力强度因子时存在一定难度。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供船体典型焊接结构表面裂纹应力强度因子的估算方法。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明采用以下技术方案：

船体典型焊接结构表面裂纹应力强度因子的估算方法，包括以下步骤：

步骤一：确定与裂纹表面最大张口位移相关的修正系数M_K表达式；

步骤二：研究焊接尺寸的影响，建立焊接效应修正系数M_KW的表达式；

步骤三：研究曲面效应的影响，建立曲面效应修正系数M_KC的表达式；

步骤四：建立板板焊接构件裂纹深度位置应力强度因子的估算方法；

步骤五：建立管节点裂纹深度位置应力强度因子的估算方法。