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1、华中科技大学 硕士学位论文 曲面上线状裂纹的虚拟裂纹闭合法和离散内聚力模型 姓名：张正艺 申请学位级别：硕士 专业：船舶与海洋结构物设计制造 指导教师：解德 2010-01-14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 近年来，船体结构日益呈现出尺寸大型化和重量轻型化的趋势，使得船体结构强度 风险和航运经济风险增加。为防止二次大战时期大量全焊接船舶断裂解体事故的重演， 必须对船体结构断裂强度给予高度关注。 从国内外研究现状来看，船体结构的断裂强度分析中主要采用从总体中分离出细节 的子结构法。这种方法存在的困难有：需要对每个细节
2、进行分析，任务量大；分离出 来的细节与船体之间的相互联系被削弱；对于典型的节点本身也需要在裂纹尖端设置 细密单元，计算量大。而真正对船舶与海洋结构物造成灾害性破坏的是结构尺度上的 长距离裂纹。分析这种结构尺度上的断裂问题需要借助于数值方法且数值方法必须满 足对网格尺寸不敏感，所需计算时间足够短和储存空间足够小这两个要求。 本文提出能对整船断裂行为进行快速有效分析的数值仿真方法。针对大型舰船结构 尺度上的裂纹，基于断裂力学和有限元方法，开发出若干有实用价值的数值模拟技术， 并通过算例验证这些技术手段的可靠性和可行性。这些方法包括曲面上线状裂纹的虚 拟裂纹闭合法，折线法的虚拟裂纹闭合法以及离散内聚
3、力模型等。 本文所提出的直接计算法中的这些数值技术，具有对网格尺寸不敏感、不必在裂纹 尖端设置细密网格、无需网格更新技术等优点，可节约大量的计算时间。使得整船断 裂强度分析成为可能。 关键词： 船体结构；断裂强度直接计算法；虚拟裂纹闭合法； 折线法；离散内聚力模型 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II A Abstract Recently, ship structures are becoming larger in size and lighter in weight that increases the risk of hu
4、ll strength and sailing safety. Therefore, to avoid the similar accidents of all-welded ships broken during the World War II, a great attention must be paid to the fracture strength of ship structures. The current approach to deal with this topic is to analyze the details isolated from the global hu
5、ll model with the idea of sub-structure modeling. However, this approach is inconvenient in several aspects: each detail must be considered which leads to huge amount of analyzing works; the connection between the isolated details and the global model is not sufficiently established; even for a typi
6、cal detail itself, a fine FEA mesh are needed around the crack tip which increases the problem size significantly. But, in reality, the fatal cracks to the ships and ocean structure are those with structure level dimensions. Analysis on structure level cracks needs the support of the numerical metho
7、d and the well-posed numerical method should be that it is insensitive to the element size with tolerable computing time and storage space. This thesis will develop a numerical simulation technique which can analyze the fracture behavior of ship structures at global level in a quick and effective ma
8、nner. To deal with structure level cracks, a number of practical simulation tools will be developed based on fracture mechanics and finite element method. Then, these tools will be verified and validated through some examples to show their reliability and feasibility. These simulation tools include
9、the virtual crack closure technique for line type crack on surface, the virtual crack closure technique using zigzag propagation path and the discrete cohesive zone model. These numeric technology of direct analysis method presented in this thesis will be expected insensitive to the element size wit
10、hout arranging fine mesh around the crack tip. Moreover, no adaptive mesh is required during the simulation so that a great amount of time can be saved. In general, the proposed technique makes it possible to analyze the fracture strength of ship structures at global level. Key words: Ship structure
11、s; Direct analysis of fracture strength; Virtual crack closure technique; Zigzag crack path approximation; Discrete cohesive zone model 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年
12、月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 概论 1.1 研究背
13、景 众所周知， 二次大战时期为了提升船舶建造能力和加快船舶建造速度， 焊接作为当 时的先进技术被广泛采用，并逐渐取代了铆接。然而，不久之后就相继出现了大规模 的全焊接船舶断裂事故。 图1-1给出了1943年1月16日发生在美国Oregan州Portland 港的 T2 油轮 Schenectady 号断裂成两截后的照片1。这个事例经常出现在有关断裂力 学的教科书中，已为人们所熟知。这个事例以及同期其它全焊接船舶的断裂事故直接 促使现代断裂力学作为一门学科的诞生和发展。之后，随着冶金工业的发展，船用钢 板的韧性得到了大幅提高，同时焊接设备和焊接工艺也都得到了明显的改进和完善， 大型船舶的灾难性断
14、裂事故得以大幅减少，断裂力学在船舶工程界逐步淡化。取而代 之，船体结构疲劳强度分析和破损强度分析成为船体结构强度研究中的关注点。 图 1-1 Schenectady 号油轮断裂为两截 (1943 年) 随着船用钢板和焊接技术的进一步发展， 当今的船体结构日益呈现出尺寸大型化和 重量轻型化的趋势，以达到提升运载能力、降低货运成本、节省建造材料、减少燃料 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 消耗等目的。但是问题也会随之而来。(1) 首先，船体结构的强度风险增加。大型化 导致船体结构整体刚性降低；轻型化导致大量使用高强钢。高强钢的强度虽
15、然得到了 提高，但其韧性储备却降低。在这种强度高、刚度低、韧性储备相对不足的大型结构 中，一旦裂纹失稳扩展通常难以控制，易于导致结构解体。近年来，油轮断裂事故时 有报道。最近一次发生在 2009 年 8 月 28 日，巴拿马型油轮 Elli 号在驶入苏伊士运河 时断成两截后沉没，如图 1-2 所示。由于是空船，并制止了油轮所装载的 60 吨燃料外 泄，所幸没有造成人员伤亡和环境污染。(2) 其次，航运的经济风险提高。例如一艘 VLCC 可装载 20-30 万吨原油，一旦船体结构断裂解体，结果通常是灾难性的。不仅会 导致巨大的经济损失，而且所造成的环境污染更是难以估价。 图 1-2 Elli 号
16、油轮断裂为两截 (2009 年) 因此， 为防止类似于二次大战时期大量全焊接船舶断裂解体事故的重演，必须重 新对大型化和轻型化特点下的船体结构断裂强度给予高度关注。为了合理有效的解决 这个问题，必须结合当今技术发展的成就，进而实现“设计阶段有效避免，使用阶段 有效处置” 。 (1) 设计阶段有效避免。对于船体结构而言，大小不等方位不同的各类裂纹几乎存 在于其全寿命周期内的各个阶段中。例如，一艘服役 15 年的单壳油轮，可以沿其船长 方向的船侧板上分布着上千条不同程度的裂纹，不同肋位处的裂纹统计数目由图 1-3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 给出2。又如，油轮 Castro 号在遭遇恶劣天气后，在 72 号
