焊接残余应力对船舶结构疲劳裂纹扩展影响:综述

船舶结构的疲劳失效多在焊接接头处产生。疲劳裂纹扩展而导致的疲劳断裂是焊接接头疲劳失效的主要形式。焊接残余应力会对船舶焊接接头的疲劳裂纹扩展产生影响,而且在疲劳裂纹扩展的过程中残余应力会发生重分布现象,对裂纹扩展的影响更加复杂。文中对近年来国内外焊接残余应力对船舶结构疲劳裂纹扩展的影响进行归纳总结,将研究此问题的主要方法和研究成果进行分类,并指出了研究的不足之处以及发展趋势。     

舰船机械焊接接头疲劳裂纹损伤研究

由于传统的舰船机械接头焊接方法得到的构件极限荷载数值较小,容易产生疲劳裂纹损伤,导致其使用寿命过短,提出舰船机械焊接接头疲劳裂纹损伤研究。分析焊接接头在不同条件下的受力情况,建立有限元模型,将输出结果设置为应力强度因子,并采用四点受压载荷设计,计算裂纹应力强度,分析应力强度因子数值在趋近于临界值时,对裂纹扩展的加速效应,完成舰船机械焊接接头疲劳裂纹损伤研究。设计对照实验,测试本文方法的应用效果,将其与另外2种传统方法比较,分别测试三者的极限荷载。实验结果表明,所提出的焊接方法最大极限载荷数值达到了1 964 kN,相比传统方法增加了1.8%,证实本文方法能够有效控制焊接接头疲劳裂纹损伤程度,增长其使用寿命。     

低周疲劳载荷下考虑累积塑性的船舶裂纹板剩余极限强度研究

研究表明在恶劣海洋环境中船体结构整体断裂破坏往往是低周疲劳破坏和累积塑性破坏的耦合结果。考虑这两者耦合作用的影响,评估船体结构的极限承载力更为实际。基于累积塑性和低周疲劳裂纹扩展,从理论上分析了平面内低周疲劳载荷下裂纹板的残余极限强度。经过一系列数值模拟,首先讨论低周疲劳裂纹扩展行为的影响,然后随着疲劳裂纹扩展的发展,主要讨论了初始变形,焊接残余应力,裂纹扩展长度,裂纹分布和裂纹板厚度对低周疲劳载荷下船体裂纹板极限强度的影响。     

基于内聚力模型的船舶焊接接头裂纹萌生及扩展分析方法

船舶一般为大型焊接结构,焊接接头处较易产生裂纹等缺陷,因此需开展焊接接头裂纹萌生及扩展研究。首先,基于双线性内聚力模型对不锈钢钎焊接头模型进行裂纹萌生及扩展的数值模拟计算,获得载荷与裂纹扩展长度的关系,并与文献试验结果进行对比分析。在两者结果较为一致的基础上,采用相同方法对船舶典型焊接接头的裂纹萌生及扩展进行数值模拟计算和分析。结果表明,基于双线性内聚力模型的裂纹萌生及扩展分析方法能够较好地模拟船舶焊接接头裂纹扩展过程中的开裂、损伤积累及损伤未积累阶段。焊接接头裂纹萌生及扩展研究可为后续进行相关船舶结构安全评定奠定理论研究基础。     

弯曲载荷下复合材料夹芯"L"型接头强度和疲劳试验研究

文章研究了复合材料夹芯"L"型接头在弯曲载荷下的静强度和疲劳问题.通过静加载试验,得到该接头的极限承载能力和破坏模式.在此基础上,对不同载荷水平下的试件进行疲劳试验.基于试验数据建立S-N曲线,比较了半对数线性拟合和"S"型函数拟合结果.结果表明,"S"型曲线的预测结果好于半对数线性拟合.同时,分析了疲劳载荷下的接头破坏模式,包括夹芯和面板之间脱粘、面板分层和纤维断裂.根据试验现象划分了表明裂纹扩展的3个阶段.建立了刚度退化模型表现不同载荷水平下刚度退化规律.     

弯曲载荷下复合材料夹芯“L”型接头强度和疲劳试验研究（英文）

文章研究了复合材料夹芯"L"型接头在弯曲载荷下的静强度和疲劳问题。通过静加载试验,得到该接头的极限承载能力和破坏模式。在此基础上,对不同载荷水平下的试件进行疲劳试验。基于试验数据建立S-N曲线,比较了半对数线性拟合和"S"型函数拟合结果。结果表明,"S"型曲线的预测结果好于半对数线性拟合。同时,分析了疲劳载荷下的接头破坏模式,包括夹芯和面板之间脱粘、面板分层和纤维断裂。根据试验现象划分了表明裂纹扩展的3个阶段。建立了刚度退化模型表现不同载荷水平下刚度退化规律。     

具初始裂纹钢桥梁焊接构件疲劳裂纹扩展和疲劳寿命计算

钢桥梁构件因焊接缺陷或者在疲劳应力交互作用下萌生裂纹,钢桥梁构件因存在初始裂纹大大地降低焊接构件的疲劳性能.文中考虑到焊接构件往往会存在初始缺陷,研究了含初始缺陷的桥梁焊接构件的疲劳分析方法.在已有的大量含裂纹构件的疲劳实验工作基础上,结合课题组所做的焊接构件疲劳实验资料,假设初始裂纹焊接构件在疲劳裂纹扩展过程中裂纹形状保持为半椭圆形状;针对桥梁构件实际受力特征,由钢桥梁构件的高周疲劳损伤演化方程入手,考虑初始裂纹条件下裂纹前缘的损伤区的存在及其对裂纹扩展的影响,采用虚拟裂纹扩张方法推导了适用于钢桥梁构件的疲劳裂纹扩展分析的疲劳裂纹扩展率公式,建议了裂纹扩展和疲劳寿命数值计算方法.采用文中的计算方法,研究了已有的钢桥梁结构焊接构件疲劳实验的裂纹扩展过程和疲劳寿命的计算.计算结果表明:裂纹的扩展过程中裂纹的深度和表面半长度之比a/c是一个变化的数值,且在一定的a0/t0条件下,随着a0/c0的增加,循环次数逐渐增大.     

基于BP神经网络的I型金属夹芯板极限强度预测

[目的]针对过去对I型金属夹芯板的极限强度评估不完善的问题,提出一种采用BP人工神经网络的方法来定量确定各相关参数对I型金属夹芯板极限强度的影响.[方法]首先,采用非线性有限元法研究I型金属夹芯板在面内轴向压缩载荷条件下的极限强度;然后,构造BP神经网络以对不同面板柔度系数βp、腹板柔度系数βw和梁柱柔度系数λ下I型金...     

船用双相不锈钢焊接结构疲劳性能研究

文章对船用双相不锈钢焊接结构的焊缝、影响区和母材在不同应力比下分别进行了疲劳裂纹扩展实验,同时利用有限元分析软件进行了数值模拟,得到了裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子ΔK的关系曲线。研究结果表明:船用双相不锈钢焊接结构中焊缝裂纹扩展速率最低,抗疲劳裂纹扩展能力最高;母材疲劳裂纹扩展速率最高,抗疲劳裂纹扩展能力最差;焊缝对应力变化的灵敏度最高,热影响区次之,母材最弱;通过实验与模拟对比分析,表明数值模拟对船用双相不锈钢疲劳裂纹扩展速率定量分析是正确的且方法可行。     

T型接头横向埋藏裂纹扩展特性

基于断裂力学理论和有限元分析,研究T型接头横向埋藏裂纹扩展特性,实现了双向拉伸载荷作用下T型接头横向埋藏裂纹扩展形状变化的数值模拟。结果表明:T型接头横向埋藏裂纹扩展至结构表面时的形状为近圆形,与裂纹埋藏位置和初始形状无关;埋藏于焊趾端部板材中的裂纹扩展快于埋藏于焊缝中的裂纹扩展。     

新型钛合金焊接结构疲劳裂纹扩展速率试验研究

为了研究尺度效应及热处理工艺对新型钛合金材料疲劳性能的影响,本文对新型钛合金母材及焊接结构在不同尺度效应和热处理工艺下的力学性能和疲劳性能开展试验,分析尺度效应和热处理工艺对新型钛合金材料疲劳性能的影响规律。研究结果表明,仅经过低温热处理的新型钛合金焊接结构疲劳寿命要超过经过高温-低温热处理后的焊接接头近1.53倍;尺度效应对焊接结构的力学性能影响较大,对母材影响较小;随着尺度增大新型钛合金的裂纹扩展寿命增大,但裂纹扩展速率并无明显变化。     

船体纵骨疲劳裂纹扩展及寿命分析

基于有限元软件ABAQUS,结合虚拟裂纹闭合法、裂纹扩展判据及子结构技术,应用脚本语言Python开发了模拟疲劳裂纹扩展的程序(FCG-System)。对含初始裂纹的油船纵骨节点疲劳裂纹扩展进行数值模拟,并探讨侧向压力和轴向拉力这两种载荷对疲劳裂纹扩展路径和疲劳寿命的影响。结果表明,两种加载方式下裂纹扩展路径不同,且面板断裂前的疲劳寿命在总寿命中占据很大的成分。     

钛合金焊接接头疲劳裂纹声发射特征研究

钛合金以其良好的性能得到工业界广泛的应用,但是钛合金建造和焊接工艺极难控制,容易产生焊接缺陷.本文利用声发射技术对不同厚度钛合金焊接接头拉伸和疲劳损伤过程进行动态监测,获得了钛合金焊接接头焊缝从裂纹萌生、扩展、直至断裂过程的声发射事件数量、幅度、危险程度分布特性,提出了钛合金焊接接头疲劳损伤声发射阶段性理论,为声发射技术应用于钛合金结构服役过程的全寿命安全监测提供了理论依据.     

疲劳载荷作用下焊接点三维线弹性弯曲裂纹路径预测

利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下结构线弹性裂纹的弯曲扩展问题并求解了三维动态应力强度因子.利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下裂纹路径预测时的应力准则与能量准则之间的关系.就均匀物质而言,在二阶摄动分析理论的框架内,两种准则指明了相同的三维疲劳弯曲裂纹扩展路径.但在具有非均匀断裂韧度的物质中,能量准则优越于应力准则.作为二阶摄动方法的实际运用,研究了焊接结构中疲劳线弹性裂纹的形态特征和弯曲扩展路径问题,综合考虑了诸如远场动态作用应力、焊接残余应力、局部物质衰变以及不同尺寸的缺陷的存在等因素,绘制出疲劳载荷作用下退化区域中裂纹弯曲扩展的临界轨迹曲线.     

FPSO节点焊趾处的裂纹修理形状研究

对焊缝处出现的裂纹进行修理以阻止其进一步扩展,能够有效地延长FPSO焊接结构的疲劳寿命.考虑到应力集中而造成的疲劳寿命的降低,要谨慎选取修理时所采用的形状和尺寸,避免在修理后产生的表面缺陷处出现过高的应力集中.文中旨在进行三维T型焊接节点焊趾处的裂纹修理分析,为了选取合理的修理切口,首先对不同几何形状和尺寸的二维焊接修理切口,如抛物线型和椭圆型等,进行了应力集中系数的计算,并与相类似尺寸的U型切口的计算结果进行了比较.结果表明,当切口的表面半宽长于其深度时,椭圆型的裂纹修理切口具有更低的应力集中系数.随后,选择应力集中较小的椭圆型和U型切口焊接修理形状,并采用更加精确的三维有限元分析方法进行分析,给出了通过打磨等修理方式消除裂纹后得到的三维表面缺陷的应力集中系数,为工程上焊趾处裂纹的修理提供决策依据.     

低强匹配焊接接头匹配特性研究

焊接接头的屈服强度匹配方式对接头的设计、制造工艺、裂纹敏感性以及破坏行为有重要影响,焊缝金属、母材、焊接接头强度以及焊接接头强度匹配系数的分布是焊接结构强度、寿命和可靠性计算的基础.文章介绍了对12Ni3CrMoV钢焊接接头屈服强度匹配系数的分布进行的研究,并给出了分析结果.作者认为控制母材和焊缝金属的屈服强度分布的标准差,是降低失配概率的主要途径.     

水下接触爆炸作用下泡沫夹芯板耗能机理研究

[目的]为了研究水下接触爆炸作用下泡沫夹芯板的耗能机理,[方法]首先,开展泡沫夹芯板的水下接触爆炸试验,获得其破坏模式,并比较等质量钢板与不同配置夹芯板的抗爆耗能效果;然后,基于数值仿真,分析泡沫夹芯板在水下接触爆炸作用下的损伤过程,模拟夹芯板的破坏模式,统计各部分的耗能率。[结果]研究结果表明,同等条件下夹芯板的抗爆耗能效果优于等质量实体钢板,且上面板薄、下面板厚时的耗能效果最优;夹芯板耗能率可较实体钢板提高约5%~8%。[结论]根据试验和仿真结果,给出了泡沫夹芯板结构在水下接触爆炸作用下的耗能机理,可为舰船结构防护设计提供参考。     

疲劳载荷作用下焊接点三维线弹性弯曲裂纹路径预测（英文）

利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下结构线弹性裂纹的弯曲扩展问题并求解了三维动态应力强度因子。利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下裂纹路径预测时的应力准则与能量准则之间的关系。就均匀物质而言,在二阶摄动分析理论的框架内,两种准则指明了相同的三维疲劳弯曲裂纹扩展路径。但在具有非均匀断裂韧度的物质中,能量准则优越于应力准则。作为二阶摄动方法的实际运用,研究了焊接结构中疲劳线弹性裂纹的形态特征和弯曲扩展路径问题,综合考虑了诸如远场动态作用应力、焊接残余应力、局部物质衰变以及不同尺寸的缺陷的存在等因素,绘制出疲劳载荷作用下退化区域中裂纹弯曲扩展的临界轨迹曲线。     

变幅载荷作用下焊接接头疲劳寿命预测方法

船舶与海洋结构物在其服役过程中受到波浪等载荷的交变作用而引起结构的疲劳损伤.检测结果表明船舶及海洋结构的疲劳热点部位大多数是在构件相互连接的焊缝焊趾处.因此,研究典型接头表面裂纹应力强度因子统一计算方法以及变幅载荷作用下表面裂纹扩展规律对船舶与海洋结构物的寿命预测是十分重要的.本文讨论了裂纹闭合及开口比的计算,在Newman有效应力强度因子计算方法的基础上,提出了考虑因素更全面的有效应力强度因子幅计算式以及变幅载荷作用下船舶与海洋结构物典型焊接接头疲劳裂纹扩展寿命预测模型.     

肘板趾端表面裂纹在随机波浪载荷作用下的疲劳扩展预报

肘板趾端是船舶与海洋结构的疲劳热点。文章用三维有限元分析了趾端表面裂纹应力强度因子修正系数的变化规律,并与BS7910推荐的典型节点表面裂纹应力强度因子公式计算结果作了对比,结果表明趾端表面裂纹应力强度因子沿深度方向的放大系数和T型节点相差很小,而表面端点应力强度因子修正系数则当裂纹长度在肘板厚度范围内时和T型节点相差很小,超出后则相差较大。以某客滚船上肘板趾端应力范围长期分布服从Weibull分布,产生系列均值为零的应力幅,应力强度因子分别采用有限元结果和BS7910中T型接头公式进行计算,采用单一曲线模型计算该趾端表面裂纹的裂纹扩展。计算等效应力强度因子幅时,考虑焊接残余应力的影响。计算结果表明以T型接头的公式计算趾端表面裂纹应力强度因子和有限元结果相差很小。建议将T型节点表面裂纹应力强度因子计算公式用于趾端表面裂纹应力强度因子的计算,并采用单一曲线模型对随机波浪载荷下作用下船舶典型节点疲劳裂纹的扩展寿命进行了预报。