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研究生:馬豐源
研究生(外文):Fong-Yuan Ma
論文名稱:高速船舶推進軸系疲勞壽命可靠性分析模式之研究
論文名稱(外文):Modeling Fatigue Life Reliability Analysis for the Propulsion Shafting of High-speed Vessel
指導教授:王偉輝王偉輝引用關係
學位類別:博士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:系統工程暨造船學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:96
語文別:中文
論文頁數:250
中文關鍵詞:高速船推進軸系不□鋼材料SUS630灰色理論腐蝕疲勞與可靠性
外文關鍵詞:propulsion shafting system of high-speed craftstainless steel SUS630grey system theorycorrosion fatigue and reliability
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國內高速船推進軸系大都使用不□鋼SUS630合金材料,不□鋼的損傷主要是由孔蝕所造成,本研究主要針對當軸系發生孔蝕時,因孔蝕而誘發的腐蝕疲勞,建立所殘餘的使用壽命及其可靠性的推估模式。
本研究針對高速船軸系的不□鋼材料試件,藉由孔蝕環境實驗,利用灰色理論估測孔蝕率的成長趨勢與速率;經由孔蝕加速實驗及回轉疲勞試驗,以瞭解當發生孔蝕現象時,對於疲勞壽命的影響;於其疲勞試驗損壞後,就其斷裂面利用電子掃描成像,作疲勞斷口的定量與定性分析,並推算材料的斷裂成長係數。綜合上述結果來推算,當推進軸系發生孔蝕時,其殘餘壽命及可靠性。
由孔蝕實驗結果,得知不□鋼SUS630的孔蝕率的成長趨勢,係屬於指數型;經回轉疲勞試驗結果,得知當發生孔蝕現象時,其殘餘疲勞壽命,僅為正常疲勞壽命的10 ~ 20%,且不能利用熱處理方式來改善其疲勞壽命;由疲勞斷口的掃描式電子顯微鏡相片得知,裂紋擴展階段與瞬間斷裂階段,兩者之間裂紋面的擴展方向,只有45o角的變化;利用Paris公式推算結果,得知對於不□鋼SUS630材質,當ΔK值介於26 至 46之間時,其金屬材料常數n 值為3及金屬材料常數C值為4.40E-15。
應用本研究模式於推進軸系初始設計時,應設定最低容許可靠性指標,並推算船舶於各種使用狀態下,考慮其推進軸系的不低於此可靠度指標前提之下,估算出其容許孔蝕深度與年限。同時當軸系檢驗時,應特別注意是否有孔蝕現象發生,並量取孔蝕深度,由本研究可靠度分析模型,可研判其推進軸系是否須進行維修,以確保該推進軸系的安全性與可靠性。
關鍵詞:高速船推進軸系、不□鋼材料SUS630、灰色理論、腐蝕疲勞與可靠性
In Taiwan, the material of stainless steel SUS630 is usually used in propulsion shafting system for high-speed crafts. Unfortunately, the pitting corrosion will be a main factor to effect the fatigue life cycle of the stainless alloy SUS630. In this study, the prediction model of the residual fatigue life cycle and the reliability have been established under the pitting corrosion condition for the propulsion shafting system of high-speed crafts.
In this study, the growth rate and tendency of pitting corrosion occurred in the stainless steel SUS630 specimen is estimated by the grey system theory through the ferric chloride acceleration corrosion test. Under such pitting corrosions, the prediction model of fatigue life has carried out by the results of the rotation bending tests on a set of specimen. Meanwhile, the constants of fatigue crack growth rate of SUS630 under pitting corrosions have been determined by means of the metallurgical graphs by SEM and the fracture surface analysis techniques. In the consequence of these processes, the residual fatigue life and the reliability of a pitting corroded stainless steel shaft can be assessed.
From the results of the pitting corrosion experiment, the tendency of growth rate of pitting corrosion of the SUS630 steel is pertaining to an exponential function with time. Based on the results of fatigue tests on the specimen with pitting corrosions, the residual fatigue life cycle is only 10-20% of that of the uncorroded specimen. By the fracture surface analyses of the SEM graphs, it has shown that the direction of fatigue crack propagation between the stages of crack propagation and abrupt fracture has only a 45° angle of change. In use of the Paris formula, the value of Δk is rated between 26 to 46, the material constants n is determined to be 3 and c is 4.4×10-15 for the stainless steel SUS630 shaft material.
The established model in the thesis can be applied to the preliminary design for propulsion shaft under the prescribed reliability index and estimate the allowable limitation of pitting corrosion depth and the residual fatigue life. Meanwhile, in the survey stage, this reliability model can be also applied to ascertain whether the shaft should be repaired or not, once the pitting corrosion depth is measured. Thus, the life cycle reliability and safety of the propulsion shaft system can be envisaged.
Key words: propulsion shafting system of high-speed craft, stainless steel SUS630, grey system theory, corrosion fatigue and reliability
中文摘要 i
英文摘要 ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 x
符號表 xiii
第一章 前言 1
1-1 軸系設計理念更迭 2
1-2 傳統設計與可靠性設計之比較 3
1-3 研究動機與目的 6
1-4 文獻回顧 9
1-5 研究構想 16
1-6 論文架構 20
第二章 船舶推進軸系要求演化與損傷分析 23
2-1 船舶推進軸系的強度要求 24
2-2 高速船推進軸系設計 32
2-3 推進軸系損壞統計與分析 35
2-4 高速船推進軸系損傷研判 52
第三章 統計學及灰色理論應用於高速船不□鋼軸系孔蝕率與其影響因素分析 54
3-1 孔蝕試驗設計 56
3-2 孔蝕影響因素統計分析 66
3-3 截面積與孔蝕率灰關聯性分析 78
3-4 孔蝕率之灰色預測 84
第四章 疲勞試驗及熱處理與疲勞壽命的關聯性 99
4-1 以疲勞試驗估算S-N曲線 99
4-2 以灰色理論及回歸分析法估算S-N曲線 105
4-3 熱處理對於腐蝕疲勞的影響 109
4-4 缺口效應對於疲勞壽命的影響 117
第五章 疲勞斷口特徵與腐蝕疲勞裂縫成長常數 123
5-1 電子顯微鏡掃描照相 123
5-2 疲勞斷口分析 126
5-3 裂紋疲勞壽命估算 141
第六章 高速船推進軸系疲勞壽命可靠性分析 151
6-1 推進軸系的可靠性設計 151
6-2 推進軸系可靠性估測 163
6-3 高速船推進軸系疲勞壽命估算與分析 168

第七章 結論與建議 193
7-1 結論 193
7-2 建議 195
參考文獻 196
附錄一 各部同年代船級協會對船舶推進軸系強度要求的演化 A-1
附錄二 電子掃描照相 B-1
附錄三 軸系強度論證分析 C-1
附錄四 本研究進行期間發表於國內外學術研討會及重要期刊論文 D-1
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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