Numerical modeling of 3D fatigue crack propagation to the fatigue life evaluation of ship structures

3D疲劳裂纹扩展数值模拟在船舶结构疲劳寿命评估中的应用

基本信息

批准号：
22K04564
负责人：
田中智行
金额：
$ 2.41万
依托单位：
Hiroshima University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

デジタルツイン技術の高度化により，実測にもとづく荷重履歴を考慮した全船解析が可能となってきている．本研究では，実荷重下の船体構造部材に生じる疲労き裂進展に着目し，計算破壊力学の観点から研究に取り組んでいる．今年度は，ばら積み船を想定し，船体構造シェル-ソリッド一体型モデルの構築を行った．グローバルモデルとして船体構造をシェルモデルによりモデル化した．ローカルモデルとして船体構造中の十字継手部を解析対象としている．モデリングおよび解析の妥当性の検討を目的としてローカルモデルには二つのアプローチを用いた．一つ目は，四面体二次要素を用いてソリッドモデルを用い，シェルモデルと剛体要素で繋ぎ NASTRAN を用いて解析を行った (NASTRANモデル)．二つ目のモデルとして四面体一次要素を用いてソリッドモデルを用い，同様にシェルモデルと剛体要素で接続し，オープンソース構造解析ソフト Code_Aster を用いて解析を行った (Code_Aster モデル)．応力解析を行い，それぞれのモデルで解析結果に差が無いことを確認した．さらに，それぞれのモデルに対して表面き裂を挿入し破壊力学パラメータ評価の基礎検討を実施した．NASTRAN モデルに対しては二重節点を用いて表面き裂をモデル化し四面体二次要素向けVCCM法により表面き裂をモデル化する．一方，Code_Aster モデルでは，X-FEM により表面き裂をモデル化し領域積分法により破壊力学パラメータを評価した．現在，両方のアプローチでほぼ同様の結果を得ることに成功している．今後は，き裂進展解析に向けより詳細な有限要素モデリングおよび破壊力学解析を実施してゆく．

随着数字孪生技术的进步，基于实际测量考虑负载历史的全船分析已成为可能。本研究主要针对船舶结构件在实际载荷作用下发生的疲劳裂纹扩展问题，从计算断裂力学的角度进行研究。今年，我们以一艘散货船为例，构建了船体结构的壳-壳-实体一体化模型。作为全局模型，船体结构使用壳模型进行建模。船体结构中的十字形接头作为局部模型进行分析。局部模型使用两种方法来检查建模和分析的有效性。第一个是使用二次四面体单元的实体模型，通过壳模型和刚性单元连接，并使用 NASTRAN（NASTRAN 模型）进行分析。作为第二个模型，我们使用了使用四面体线性单元的实体模型，将其类似地连接到具有刚性单元的壳模型，并使用开源结构分析软件Code_Aster（Code_Aster模型）进行分析。进行了应力分析，并确认各模型之间的分析结果没有差异。此外，在每个模型中插入表面裂纹，并对断裂力学参数评估进行了基础研究。对于NASTRAN模型，采用双节点对表面裂纹进行建模，并采用四面体二次元的VCCM方法对表面裂纹进行建模。另一方面，在Code_Aster模型中，使用X-FEM对表面裂纹进行建模，并使用面积积分法评估断裂力学参数。目前，我们已经成功地使用这两种方法获得了几乎相似的结果。未来，我们将对裂纹扩展分析进行更详细的有限元建模和断裂力学分析。