切口应力法评估薄板焊接结构的疲劳强度开题报告

 2020-02-20 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

研究表明,结构疲劳是引起大型工程结构灾难的主要原因,结构在外载荷作用下逐渐积累疲劳损伤,积累到一定程度造成的结构疲劳失效会给生命、财产带来不可估量的损失。据统计,机械断裂事故中80%以上是由金属疲劳引起的[1],而发生在焊接结构的疲劳断裂事故中,有90%左右是由疲劳失效导致的。在船舶与海洋工程中,金属疲劳损伤也是最主要的失效模式,而金属疲劳过程又是随机、复杂的,因此,如何有效地对结构寿命进行评估仍是值得研究的问题,这也是确保结构安全运行的关键。

对于焊接结构,焊接接头的存在会导致此处出现明显的应力集中现象,最容易产生裂纹,发生疲劳破坏。相比于早期的铆接方式,钢质船舶的建造使得焊接的不利影响越发地凸显出来。裂纹会导致构件失效,严重情况下整个结构都会发生断裂现象,由此造成了很多结构承载能力降低甚至丧失的事故。

疲劳断裂现象不仅发生在船舶上应力集中的区域,如舱口等,也会发生于海洋平台上。2013年,日本商船三井“molcomfort”号超大型集装箱船搭载着7000多个标准集装箱执行亚欧航线任务,在新加坡前往沙特吉达港的途中,在距离阿曼塞莱拉港430海里处(北纬12度33分、东经59度46分附近)突发事故船舶中部出现断裂,海水进入货舱,这起事故被认为是迄今以来最惨烈的集装箱船断裂事故。当时molcomfort号船体所用是2007年日本三菱重工与新日铁合作开发出的最新型高张力钢hts47。相比于之前日本船舶制造业所应用的hts40钢材,hts47更为轻薄。hts47钢材对于焊接技术提出了更为精密的焊接工艺,更低的容错率,必然会提高焊接难度,为应对hts47焊接难题,三菱重工联手新日钢与sumikin焊接公司,设计完成了双电极振动电版气体弧光焊接机等可以使hts47钢板弯曲的方法技术。虽然hts47已经具备了成套的焊接技术,但这套焊接技术能否真正匹配还有待时间的检验。hts47刚问世一年就被用于船体建造,加之这些新装备、技术和管理也是三菱重工首次运用,molcomfort号船体在焊接环节很难保证完美无暇。

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2. 研究的基本内容与方案

为了构建出更加节能和环保的结构,需要寻找新的轻量化解决方案。我们发现,使用板厚较小的板,高强度钢以及现代焊接技术在减轻重量方面有着比较显著的效果。与传统型号中相应的厚直板相比,使用的5mm厚的薄直的上层结构甲板可减轻约43%的重量以及约30%的负荷。减小板厚的运用主要体现在大型船舶的上层建筑结构中。在大型船舶的上层建筑中,用薄板取代厚板不仅可以减轻结构质量,降低生产成本,使船舶性能方面有所提升,也能够降低能量消耗,具有很重要的意义。

本文研究的薄板是指板厚在5mm以下的板材,其焊接问题一直是个难点。希望找出一种能够较明确评估薄板疲劳强度的方法。

本课题会综合考虑焊接的焊接缺陷和几何非线性因素,运用切口强度理论对含初始缺陷的薄板焊接接头进行理论与数值上的疲劳强度的评估。主要研究内容包括以下几个方面:

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3. 研究计划与安排

1) 在进行毕业设计任务分析、资料检索、调研的基础上完成开题报告。(1-2周)

2)了解并熟悉已有的切口应力方法及规范。(3-5周)

3) 翻译与设计任务有关外文文献一篇。(4-5周)

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 陈传尧. 疲劳与断裂[m].武汉: 华中科技大学出版社, 2002

[2]谌伟.基于奇异强度理论的船体焊接街头应力场和疲劳强度评估

[3]闫永思,袁红莉,陈维威.船舶建造过程中薄板变形问题及其控制[j].江苏船舶,2015,32(05):31-33.

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