计及有限板宽效应的表面裂纹二维权函数研究

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半椭圆表面裂纹是船舶与海洋工程结构中十分常见的缺陷形式,长期在海上受交变载荷的作用,表面裂纹会逐步扩展直至断裂,表面裂纹的存在对结构安全性构成极大的威胁。因此,对于含表面裂纹结构的疲劳寿命的预测就显得十分重要,而保证预测准确性的重要前提就是对表征裂纹周边应力情况的参数——应力强度因子(SIF)的有效计算。权函数法(WFM)是一种计算应力强度因子的有效方法。本文在现有表面裂纹二维权函数表达式的基础上,将有限板宽效应考虑到权函数表达式中,通过有限元法(FEM)计算得到均布载荷下175种不同形状含裂纹板应力强度因子参考解,将其代入二维权函数表达式中计算得到权函数系数,进一步通过多项式拟合得到半椭圆表面裂纹二维权函数,扩展了现有权函数的使用范围,即a/c=0.2~1.0,a/T=0.025~0.8,c/W=0.1~0.9。对于得到的二维权函数,本文进行了多方面的验证。首先,在表面裂纹上沿着板厚方向施加高阶单向载荷,分别采用本文所提出的权函数法和有限元法计算最深点和表面点处的应力强度因子,对比二者结果误差在10%以内。随后,在裂纹面上施加沿着板厚和板宽方向的双向载荷,将求得的应力强度因子分别与参考文献和有限元结果进行了验证,误差均在10%以内。最后,本文将推导的二维权函数应用到含表面裂纹的典型面内十字接头模型上,分别采用权函数法和扩展有限元法计算了其最深点和表面点应力强度因子,对比二者计算结果误差在10%以内。综上所述,本文所提出的计及有限板宽效应的表面裂纹二维权函数可用于实际工程结构,为计算不同c/W的表面裂纹应力强度因子提供了有效方法。
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