تخمین عمر باقیماندة بدنه فشار یک زیردریایی از دیدگاه مکانیک شکست، در سناریوهای مختلف عمق‌روی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی نوشیروانی

2 دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات

3 دانشگاه صنعتی امیرکبیر

4 دانشگاه گیلان

چکیده

در این مقاله با استفاده از دیدگاه مکانیک شکست به تعیین عمر باقیمانده یک زیردریایی پرداخته می‌شود که در آزمون­های دوره­ای، عیوبی در سازة بدنة فشار آن مشاهده شده است. یک زیردریایی واقعی به‌عنوان نمونه مفروض در نظر گرفته شده و تحلیل­ها و شبیه‌سازی­ها برای مشخصات بدنه فشار این زیردریایی انجام می­پذیرد. به زیردریایی مفروض پس از مدل­سازی و تعیین نواحی بحرانی آن، یک دسته عیوب فرضی (ترک­هایی با عمق مشخص) در ناحیه بحرانی اعمال می­شود. سپس با تعریف 15 سناریوی عمق­ روی محتمل در بهره‌برداری زیردریایی، روند رشد ترک­ها  در شرایط کاری گفته­شده مورد بررسی قرار گرفته و بر اساس قانون پاریس به تخمین عمر زیردریایی در حضور این ترک­ها پرداخته می‌شود. درنهایت نتیجه شد که ضریب شدت تنش پسماند ناشی از فرایندهای جوشکاری، سهم بیشتری در ضریب شدت تنش کل وارد بر سازه دارد و به‌شدت عمر زیردریایی را کاهش خواهد داد. لازم به یادآوری است در انجام تحلیل‌های المان محدود از نرم­افزار آباکوس نسخۀ14/6  استفاده شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Life Estimation of a Submarine Hull Pressure Based on Fracture Mechanic Approach, in Different Operational Depth Ranges

نویسندگان [English]

  • Seyed Meysam Hoseini 1
  • Behrooz Asadi 2
  • Ahmad Rahbar Ranji 3
  • Amir Khodabakhshi 4
1 Noshirvani University of Technology
2 Islamic Azad University
3 Amirkabir University of Technology
4 Gilan University
چکیده [English]

In this paper, using Fracture Mechanic Approach, the remaining life of a submarine is estimated, and in periodic tests, defects in the structure of its hull pressure were observed. A real submarine is subject of the study, and analyses and simulations are performed to determine the hull pressure of this submarine. For th subject submarine, after modeling and determining some critical areas, a set of assumed defects (cracks with a certain depth) are assumed in the critical area. Then, by defining 15 possible depth scenarios in submarine exploitation, the growth trend of the cracks under the mentioned working conditions is examined and according to the Paris law, the life of the submarine in the presence of these cracks is estimated. Finally, it was concluded that the residual stress intensity factor due to welding processes has a greater share in the overall stress intensity factor entering the structure and will greatly reduce the life of the submarine. It is worth mentioning that Abaqus v 6.14 software was used in performing finite element analyses.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Submarine
  • hull pressure
  • fracture mechanic
  • fatigue crack gowth
  • stress intensity factor
  • FEM
[1]     قاجار رحمت الله. مقدمه‌ای بر مکانیک شکست. تهران: انتشارات دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی؛ ۱۳۸۱.
[2]     اسدی بهروز. تخمین عمر پوسته بدنه زیردریایی تحت فشار هیدرواستاتیک از دیدگاه تحمل آسیب [پایان‌نامه کارشناسی ارشد]. تهران: دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات، دانشکده علوم و فنون دریایی؛ 1393.
[3]    Raju IS, Newman Jr JC. Stress Intensity Factor for Internal and extremal Surface Cracks in Cylindrical Vessels. Trans. ASME, Journal of Pressure Vessel Technology. 1982;106:293-8.
[4]    Rickerby DG, Fenici P. Simultaneous light ion irradiation and fatigue experiment for the Ispra cyclotron. Journal of Nuclear Materials. 1981 Jan 1;104:1577-81.
[5]    MINOTTI M, SALVINI P. Experiments and model predictions for fatigue crack propagationin riveted lap-joints with multiple site damage. Fracture of Engineering Materials & Structures; 2015.
[6]    Salari M, Shahani AR, Moayeri Kashani H. Fatigue crack growth analysis of a reinforced cylindrical shell under random loading. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2014 Nov;37(11):1197-210.
[7]    Jadmiko E, Arief IS, Arif L. Comparison of Stern Wedge and Stern Flap on Fast Monohull Vessel Resistance. International Journal of Marine Engineering Innovation and Research. 2018 Dec 26;3(2):41-9.
[8]    HELLER JR, USN SR. A Personal Philosophy of Structural Design of Submarine Pressure Hulls. Naval Engineers Journal. 1962 May;74(2):223-36.
[9]    Dunham FW. Fatigue testing of large-scale models of submarine structural details. Marine Technology. 1965;2(3):299–307.
[10] Kilpatrick IM. The fatigue characteristics of submarine structures subjected to external pressure cycling. International Conference Held at the Admiralty Research Establishment; 1986 May 20-23; Dunfermline, Scotland.
[11] Fuchs HO, Stephens RI. Metal fatigue in engineering. Iowa: John Wiley and Sons; 1980.
[12] Woo KS, Ahn JS, Yang SH. Cylindrical discrete-layer model for analysis of circumferential cracked pipes with externally bonded composite materials. Composite Structures. 2016 May 20;143:317-23.
[13] Zarrinzadeh H, Kabir MZ, Deylami A. Crack growth and debonding analysis of an aluminum pipe repaired by composite patch under fatigue loading. Thin-Walled Structures. 2017 Mar 1;112:140-8.
[14] Zarrinzadeh H, Kabir MZ, Deylami A. Experimental and numerical fatigue crack growth of an aluminium pipe repaired by composite patch. Engineering Structures. 2017 Feb 15;133:24-32.
[15] Belhadri DE, Belhamiani M, Bouzitouna WN, Oudad W. Stress intensity factors analyses for external semi-elliptical crack for repaired gas-pipeline by composite overwrap under pressure. Frattura ed Integrità Strutturale. 2019 Jun 26;13(49):599-613.
[16] Bouadjra BB, Abdelkader M. Optimization of the geometrical parameters of bonded composite wrap for repairing cracked pipelines. Frattura ed Integrità Strutturale. 2018 Sep 23;12(46):102-12.
[17] Leister B. Fracture Toughness of NUCu-140 Simulated Heat Affected Zones [Master's thesis]. Univ. Lehigh; 2011.
[18] America, American Society of Mechanical Engineers. ASME Boiler and Pressure Vessel Code. Section VIII. Division 2; 2013.
[19] Salari M, Shahani AR, Moayeri Kashani H. Fatigue crack growth analysis of a reinforced cylindrical shell under random loading. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2014 Nov;37(11):1197-210.
[20] Robles LB, Buelta MA, Goncalves E, Souza GF. A method for the evaluation of the fatigue operational life of submarine pressure hulls. International journal of fatigue. 2000 Jan 1;22(1):41-52.
[21] Burcher R, Rydill L. Concepts in submarine design. Cambridge University Press; 1995.
[22] Duffey TA, Rodriguez EA. Remaining life of containment vessels for repeated explosive testing. ASME-PUBLICATIONS-PVP. 2001;430:327-32.
[23] Souza GFM. Analysis of residual stress in welded structures [Dissertation]. Sao Paulo, Department of Engineering Naval Ocean: Univ. EPUSP; 1990.
[24] Murakami Y. Stress intensity factor handbook. Oxford: Pergamon; 1987. p. 110. (Vol. 1).
[25] Robles LB, Buelta MA, Goncalves E, Souza GF. A method for the evaluation of the fatigue operational life of submarine pressure hulls. International journal of fatigue. 2000 Jan 1;22(1):41-52.
[26] Souza GFM. Analysis of residual stress in welded structures [Dissertation]. Sao Paulo, Department of Engineering Naval Ocean: Univ. EPUSP; 1990.