考虑随机载荷和腐蚀的疲劳裂纹扩展评估方法研究

摘要

海洋结构物在海洋环境下，受到多种载荷的共同作用，随着累积损伤的长期作用，结构不可避免地会产生疲劳裂纹。与此同时，海水本身作为一种很强的腐蚀介质，腐蚀作用也会对海洋结构物产生巨大的影响。因此结构物一直都在经受着腐蚀和疲劳损伤的耦合作用，其破坏将会远远大于单一损伤所造成的破坏，因此研究腐蚀作用下裂纹的扩展是很有必要的。除此之外，对于海洋结构物，其长期处于随机载荷的作用下，为了更加真实地反映深海结构物的裂纹扩展行为，研究随机作用下裂纹的扩展行为具有重大意义。
　　本研究首先基于ABAQUS平台，根据J积分和应力强度因子之间的函数关系，融合了扩展有限元方法和等效区域积分法开发了计算静态裂纹以及准静态扩展裂纹的应力强度因子的程序并且具有较好的吻合度。在此基础上，通过研究氢浓度对于材料应力应变曲线以及裂纹扩展门槛值的影响，考虑了腐蚀环境下氢致开裂机理对于裂纹扩展的影响，并编制了基于ABAQUS平台的自定义单元，用以模拟氢致开裂裂纹的扩展；于此同时，通过引入裂纹尖端电流密度和应变与应变速率之间的关系，研究了阳极溶解对于裂纹扩展的影响，从而模拟了腐蚀环境下的裂纹扩展，并与实验结果进行了比较，其结果吻合较好。然后根据双参数Weibull分布的概率密度函数生成随机样本数据，并且基于无偏性和一致性，确定了随机样本的长度，并在此基础上研究了加载顺序对裂纹扩展速率以及扩展路径的影响，得出采用不同的加载方式对于裂纹的扩展路径以及扩展速率的影响。最后提出了特定威布尔分布的等效加载模式，使在此加载模式下，其裂纹扩展速率和随机加载的裂纹扩展速率相近。

目录

声明

1绪论

1.1 研究背景及意义

1.2国内外研究概况及发展趋势

1.3本文研究内容

2 裂纹扩展分析理论基础

2.1 扩展有限元法

2.2 腐蚀疲劳裂纹扩展基本理论

2.3 随机载荷的基本方法

2.4 本章小结

3 基于扩展有限元法的裂纹扩展分析

3.1 扩展有限元法中应力强度因子的计算程序设计

3.2基于扩展有限元法的裂纹扩展算例验证

3.3 本章小结

4 腐蚀条件下裂纹扩展

4.1 ABAQUS中自定义腐蚀单元的程序设计

4.2 腐蚀环境下裂纹扩展验证

4.3 本章小结

5 基于随机载荷的裂纹的扩展

5.1 随机数据编谱方法研究

5.2 随机载荷作用下裂纹扩展的数值模拟

5.3 本章小结

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢