船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法与流程
本发明涉及船舶结构寿命预测，尤其涉及一种船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法。
背景技术：
1、船舶在服役过程中会面临多种工况，包括航行巡逻、恶劣海上天气、演练备战、腐蚀高温等情况，长期处于不同强度海浪载荷、风载荷等交变载荷的影响下，船舶的疲劳性能不可避免的会受到影响，产生疲劳裂纹等缺陷。疲劳裂纹的存在会降低船舶结构类器材的强度和刚度，进一步影响船舶的结构性能和承载能力，并且还会引发管道、舱室等部位的泄漏，导致船舶浸水，进而影响浮力和航行稳定性，在服役过程中疲劳裂纹会不断扩展，当裂纹达到一定尺寸时，会导致结构的破坏或失效，从而威胁到船舶的航行安全。
2、定期的结构检查和维护可以帮助发现和预防疲劳裂纹的形成，以确保船舶结构的安全性和可靠性，但受到船舶航行计划、裂纹性质和位置、维修资源和时间等因素的影响，实现裂纹的监测和制定合理的维护策略是目前亟需解决的问题。
3、在常规的船舶结构类器材裂纹预测方法中，须通过大量数据分析和长时间的仿真进行裂纹扩展规律的研究，整体耗时长且数据获取难度高，不利于获取多种工况下不同结构类器材(船体结构、系缆桩、汽轮机外壳等主要结构)的剩余使用寿命，这对于船舶结构类器材的监控和维护提出了巨大的挑战。
技术实现思路
1、本发明的主要目的在于提供一种船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，旨在实现裂纹的监测并制定合理的维护策略。
2、为实现上述目的，本发明提供一种船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，包括以下步骤：
3、建立船舶结构类器材的载荷特性分析模型，确定作业于不同工况下结构类器材所受到的载荷类型和大小；
4、建立裂纹扩展模型，确定疲劳裂纹扩展过程中尖端应力场的关键分析参数；
5、通过有限元分析软件建立结构器材裂纹有限元分析模型，确定材料属性和力学性能参数，定义边界约束并设置载荷类型及大小；
6、通过三维裂纹分析软件导入结构器材裂纹有限元分析模型，设置确定的关键分析参数，进行初始裂纹引入、网格划分、疲劳载荷施加，分析裂纹扩展过程，计算生成疲劳裂纹生长及剩余寿命数据；
7、根据疲劳裂纹生长及剩余寿命数据建立疲劳寿命训练数据库，基于疲劳寿命训练数据库构建结构类器材剩余寿命预测模型，以实现多种工况下的裂纹全生命周期监测。
8、优选地，所述建立船舶结构类器材的载荷特性分析模型，确定作业于不同工况下结构类器材所受到的载荷类型和大小的步骤具体包括：
9、建立船舶结构类器材的载荷特性分析模型，载荷特性分析模型包括海浪载荷分析模型、风载荷分析模型和爆炸冲击分析模型；
10、基于载荷特性分析模型确定载荷参数和结构参数，建立船舶等效分析结构，确定应力波沿船体特征方向的传递特性从而确定作业于不同工况下结构类器材所受到的载荷类型和大小。
11、优选地，所述建立裂纹扩展模型，确定疲劳裂纹扩展过程中尖端应力场的关键分析参数的步骤具体包括：
12、建立裂纹扩展模型，利用m-积分法计算裂纹应力强度因子。
13、优选地，所述通过有限元分析软件建立结构器材裂纹有限元分析模型，确定材料属性和力学性能参数，定义边界约束并设置载荷类型及大小的步骤具体包括：
14、建立船舶的三维模型，通过有限元分析软件建立结构器材裂纹有限元分析模型，设置关键分析参数；
15、根据建立的结构器材裂纹有限元分析模型定义结构类器材材料属性；
16、在建立的结构器材裂纹有限元分析模型进行有限元网格的划分并设置有限元模型的边界约束条件；
17、设置结构器材裂纹有限元分析模型中载荷类型和大小。
18、优选地，设置结构器材裂纹有限元分析模型中载荷类型时，载荷包括海浪载荷、风载荷和爆炸冲击，载荷特点为循环恒幅载荷，载荷加载于结构器材裂纹有限元分析模型表面。
19、优选地，所述定义结构类器材材料属性时，包括钢材、铝合金材料的弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度参数。
20、优选地，所述通过三维裂纹分析软件导入结构器材裂纹有限元分析模型，进行初始裂纹引入、网格划分、疲劳载荷施加，分析裂纹扩展过程，计算生成疲劳裂纹生长及剩余寿命数据的步骤具体包括：
21、将建立的结构器材裂纹有限元分析模型导入三维裂纹分析软件中，引入初始裂纹后，重新划分模型网格，并施加疲劳载荷；
22、根据导入的结构器材裂纹有限元分析模型，开展裂纹扩展分析、断裂参数计算和剩余寿命计算，计算生成疲劳裂纹扩展及剩余寿命数据。
23、优选地，所述通过三维裂纹分析软件导入结构器材裂纹有限元分析模型，进行初始裂纹引入、网格划分、疲劳载荷施加，分析裂纹扩展过程，计算生成疲劳裂纹生长及剩余寿命数据的步骤中，初始裂纹为半椭圆形裂纹，半椭圆形裂纹参数设置包括椭圆长半轴长度和短半轴长度；重新划分模型网格包括初始裂纹和物理实体网格划分，裂纹前沿网格采取二十节点奇异单元法划分。
24、优选地，所述裂纹扩展分析包括不同工况、不同初始裂纹、不同载荷和不同材料属性；疲劳裂纹扩展及剩余寿命数据包括载荷循环加载次数和裂纹生长高度。
25、优选地，所述根据疲劳裂纹生长及剩余寿命数据建立疲劳寿命训练数据库，基于疲劳寿命训练数据库构建结构类器材剩余寿命预测模型，以实现多种工况下的裂纹全生命周期监测的步骤具体包括：
26、根据疲劳裂纹生长及剩余寿命数据建立在海浪载荷、风载荷、爆炸冲击载荷下不同材料的裂纹扩展数据库；
27、基于疲劳寿命训练数据库构建作为神经网络gru的输入，训练该神经网络，训练完成得到数据来构建结构类器材剩余寿命预测模型，以实现多种工况下的裂纹全生命周期监测，结构类器材剩余寿命预测模型中包括重置门和更新门的设计。
28、本发明提出的船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，其耗时短，数据获取难度小，可实现对裂纹的监测并制定合理的维护策略，从而保证了对裂纹的及时维护，从而保证了船舶服役过程的安全性。
技术特征：
1.一种船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.如权利要求1所述的船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，其特征在于，所述建立船舶结构类器材的载荷特性分析模型，确定作业于不同工况下结构类器材所受到的载荷类型和大小的步骤具体包括：
3.如权利要求1所述的船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，其特征在于，所述建立裂纹扩展模型，确定疲劳裂纹扩展过程中尖端应力场的关键分析参数的步骤具体包括：
4.如权利要求1所述的船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，其特征在于，所述通过有限元分析软件建立结构器材裂纹有限元分析模型，确定材料属性和力学性能参数，定义边界约束并设置载荷类型及大小的步骤具体包括：
5.如权利要求4所述的船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，其特征在于，设置结构器材裂纹有限元分析模型中载荷类型时，载荷包括海浪载荷、风载荷和爆炸冲击，载荷特点为循环恒幅载荷，载荷加载于结构器材裂纹有限元分析模型表面。
6.如权利要求4所述的船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，其特征在于，所述定义结构类器材材料属性时，包括钢材、铝合金材料的弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度参数。
7.如权利要求1所述的船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，其特征在于，所述通过三维裂纹分析软件导入结构器材裂纹有限元分析模型，进行初始裂纹引入、网格划分、疲劳载荷施加，分析裂纹扩展过程，计算生成疲劳裂纹生长及剩余寿命数据的步骤具体包括：
8.如权利要求7所述的船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，其特征在于，所述通过三维裂纹分析导入结构器材裂纹有限元分析模型，进行初始裂纹引入、网格划分、疲劳载荷施加，分析裂纹扩展过程，计算生成疲劳裂纹生长及剩余寿命数据的步骤中，初始裂纹为半椭圆形裂纹，半椭圆形裂纹参数设置包括椭圆长半轴长度和短半轴长度；重新划分模型网格包括初始裂纹和物理实体网格划分，裂纹前沿网格采取二十节点奇异单元法划分。
9.如权利要求7所述的船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，其特征在于，所述裂纹扩展分析包括不同工况、不同初始裂纹、不同载荷和不同材料属性；疲劳裂纹扩展及剩余寿命数据包括载荷循环加载次数和裂纹生长高度。
10.如权利要求1至9中任意一项所述的船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法，其特征在于，所述根据疲劳裂纹生长及剩余寿命数据建立疲劳寿命训练数据库，基于疲劳寿命训练数据库构建结构类器材剩余寿命预测模型，以实现多种工况下的裂纹全生命周期监测的步骤具体包括：
技术总结
本发明提出一种船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法。本船舶结构类器材裂纹扩展及剩余寿命预测方法包括：建立船舶结构类器材的载荷特性分析模型，确定结构类器材所受到的载荷类型和大小；建立裂纹扩展模型，确定关键分析参数；建立结构器材裂纹有限元分析模型，确定材料属性和力学性能参数，定义边界约束并设置载荷类型及大小；导入结构器材裂纹有限元分析模型，设置确定的关键分析参数，进行初始裂纹引入、网格划分、疲劳载荷施加，计算生成疲劳裂纹生长及剩余寿命数据；建立疲劳寿命训练数据库，基于疲劳寿命训练数据库构建结构类器材剩余寿命预测模型。本发明提出的剩余寿命预测方法，可实现裂纹的监测并制定合理的维护策略。
技术研发人员：付晨阳,陈志敏,罗威,郭莹莹,余业成
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23