几种疲劳裂纹扩展模型的比较分析

研究疲劳裂纹扩展机理以及评估结构疲劳强度的“单参数模型”和“双参数模型”对疲劳裂纹扩展的三个阶段—门槛值附近、稳定扩展阶段、失稳阶段的描述能力存在较大差别.文章就现今主流的以McEvily模型为源头的一系列单参数模型、双参数模型、统一模型以及正切模型进行了探讨,分析了这些模型对疲劳裂纹扩展的描述能力以及在疲劳寿命评估方面的差别.     

过载作用下两种疲劳裂纹扩展模型的比较

文章改进了一种疲劳裂纹扩展模型,将原来的模型描述范围扩展到疲劳裂纹扩展的第三个阶段,并给出了一种确定模型中β值的方法。文中还将该模型与另外一种双参数疲劳裂纹扩展模型进行了比较,两种模型都通过7075-T6铝在过载作用下的疲劳试验数据进行了验证。最后,给出了比较结果,以及对两种模型应用的建议。     

小时间域裂纹扩展模型的可靠性分析

准确的裂纹扩展率模型是结构疲劳寿命预报的基础.考虑单个循环内裂纹长度变化的小时间域裂纹扩展率模型,能够在复杂载荷条件下计算任意微小时间域内的裂纹扩展增量.文章首先介绍了一种可用于水下耐压结构疲劳寿命分析的小时间域蠕变疲劳裂纹扩展模型,并对模型参数的敏感性进行了分析.然后选取其中几个参数作为随机变量,运用JC法、EMORM法和Monte-Carlo法计算该模型在不同裂纹长度的裂纹扩展速率的可靠度.     

钛合金室温与低温疲劳裂纹扩展速率试验研究

为了明确极地破冰船关键部位钛合金的疲劳裂纹扩展行为,本文以89 mm厚钛合金为试验对象,完成室温以及低温下的疲劳裂纹扩展速率试验。从钛合金的a-N曲线表明随着温度的降低,钛合金的寿命增加;对a-N曲线进行数据处理得到疲劳裂纹扩展速率的双对数曲线。结果表明:在一定应力强度因子内,随着温度的降低,疲劳裂纹扩展速率降低;在-60℃时,断裂韧性降低,在一定应力强度因子以外,裂纹扩展速率提高;在极地正常温度内,可以确定钛合金满足极地低温疲劳裂纹扩展速率要求,但是在-60℃以下的一些极端极地气温下,防止脆性破坏成为疲劳设计的重点;试验数据能为极地破冰船进一步抵抗低温疲劳和冷脆断裂设计提供参考;采用采用所提出的预报公式对钛合金疲劳裂纹扩展速率的中速率区和高速率区进行预报,预报结果显示该预报公式能较好的预报该钛合金的低温疲劳裂纹扩展速率的2个区域。     

钛合金疲劳小裂纹扩展行为预报方法研究

针对小裂纹扩展阶段裂纹尖端塑性区域尺寸相对于小裂纹长度是不可忽略的问题,在考虑小裂纹效应裂纹扩展速率修正模型基础上,对该模型中裂纹尺寸进行修正,即裂纹长度等于真实裂纹长度加上平面应变状态下裂纹尖端塑性区域一半;并利用修正后的模型对钛合金材料不同情况下疲劳小裂纹扩展速率和寿命进行预报,同时将预报结果与试验值比较。结果表明:修正后的预报模型对小裂纹扩展速率和寿命均有很好的预报效果。     

钛合金疲劳小裂纹扩展行为预报方法研究

针对小裂纹扩展阶段裂纹尖端塑性区域尺寸相对于小裂纹长度是不可忽略的问题,在考虑小裂纹效应裂纹扩展速率修正模型基础上,对该模型中裂纹尺寸进行修正,即裂纹长度等于真实裂纹长度加上平面应变状态下裂纹尖端塑性区域一半;并利用修正后的模型对钛合金材料不同情况下疲劳小裂纹扩展速率和寿命进行预报,同时将预报结果与试验值比较.结果表明:修正后的预报模型对小裂纹扩展速率和寿命均有很好的预报效果.     

海洋结构物用钛合金Ti-6AL-4V保载—疲劳试验研究

研究表明室温下疲劳峰值的保载对钛合金材料裂纹扩展速率具有明显影响,为此文章开展了室温疲劳峰值保载对潜水器用钛合金Ti-6Al-4V疲劳裂纹扩展影响的试验研究,并基于保载—疲劳裂纹扩展速率预报模型对该材料的保载—疲劳裂纹扩展速率进行了预报研究,从而验证该模型的适用性和可靠性。研究结果表明:疲劳载荷应力峰值处引入保载时间明显加速了钛合金Ti-6Al-4V疲劳裂纹扩展速率;随着应力强度因子范围的增加,保载—疲劳裂纹扩展速率与疲劳裂纹扩展速率之间的差异增加,即高应力强度因子范围下保载对裂纹扩展速率的影响加大;基于课题组提出的保载—疲劳裂纹扩展行为预报模型,对钛合金Ti-6Al-4V保载—疲劳裂纹扩展速率进行了预报,预报结果与试验结果吻合较好,从而验证了该模型的可靠性。     

钛合金疲劳裂纹扩展速率试验及预报方法

本文针对深海载人潜水器耐压壳用钛合金,开展疲劳性能试验研究,得到该类型钛合金的室温断裂韧性,载荷比R=0.1下的疲劳裂纹扩展门槛值及疲劳裂纹扩展速率,基于选用的疲劳裂纹扩展预报模型,对载荷比R=0.1下的钛合金疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究。结果表明:在载荷比不变的前提下,应力强度因子范围是疲劳裂纹扩展速率的主要影响因素,应力强度因子范围的增加会导致疲劳裂纹扩展速率增加;考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展预报模型可对钛合金的疲劳裂纹扩展行为进行准确预报。     

钛合金疲劳裂纹扩展速率试验及预报方法

本文针对深海载人潜水器耐压壳用钛合金,开展疲劳性能试验研究,得到该类型钛合金的室温断裂韧性,载荷比R=0.1下的疲劳裂纹扩展门槛值及疲劳裂纹扩展速率,基于选用的疲劳裂纹扩展预报模型,对载荷比R=0.1下的钛合金疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究。结果表明:在载荷比不变的前提下,应力强度因子范围是疲劳裂纹扩展速率的主要影响因素,应力强度因子范围的增加会导致疲劳裂纹扩展速率增加;考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展预报模型可对钛合金的疲劳裂纹扩展行为进行准确预报。     

试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率影响的试验

为研究试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率的影响,设计并实施两组不同厚度的紧凑拉伸试样进行疲劳裂纹扩展速率试验,同时建立了三维疲劳裂纹扩展有限元模型,分别基于线弹性理论和弹塑性理论对应力强度因子进行了计算,并分析了试样厚度对裂纹扩展速率的影响。试验与计算结果的综合分析表明：相同应力水平下,薄试样裂纹尖端的塑性区明显大于厚试样,且裂纹尖端应力强度因子值大于理论经验计算结果可达23.25%,因此,在材料裂纹扩展速率试验前,特别是试样厚度尺寸较小时,应充分考虑试样的厚度效应,参考基于弹塑性理论计算得到的应力强度因子结果,同时有必要针对当前试样及材料进行专门的裂纹扩展速率试验,以得到准确裂纹扩展参数结果。     

金属疲劳裂纹扩展速率的贝叶斯正则化BP神经网络预测

人工神经网络是进行预报裂纹扩展率的一个重要方法。文章针对不同金属的疲劳裂纹扩展速率分别建立贝叶斯正则化BP(Back Propagation)神经网络,将各材料在不同应力比R下的疲劳裂纹扩展速率试验数据分为两部分,一部分用来进行训练网络,另一部分用来测试训练好的网络,检验其泛化能力。将从文献中获取的4种不同金属材料的疲劳试验数据作为算例,来检验网络的性能。计算结果表明贝叶斯正则化BP神经网络不仅对训练样本有很好的拟合能力,而且对于未训练过的测试样本也有较好的预测能力,即有较强的泛化能力。同时,指出了建立网络时减少门槛值附近的试验样本点,可以提高网络的预测能力。研究结果表明,该方法可以方便地获得不同应力比R下的疲劳裂纹扩展速率,从而达到减少试验次数,充分利用已有数据的目的。并且可以进一步应用于其他金属的疲劳裂纹扩展速率的预报。     

疲劳裂纹扩展模型中表征裂纹闭合水平参数的确定

借助7075-T 6铝合金、6013铝合金以及0.45w t%碳钢的疲劳试验数据,结合上述材料的力学性能参数,通过非线性最小平方拟合方法,研究了表征裂纹闭合水平参数k对疲劳裂纹扩展率的影响。研究结果表明,对于宏观裂纹范围内的疲劳裂纹扩展,参数k只要大于某个值就对疲劳裂纹扩展率无影响;而对于小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展,参数k对疲劳裂纹扩展率的影响较明显,因此参数k的大小主要取决于小裂纹扩展数据。依据0.45w t%碳钢疲劳试验数据,相应参数k的建议值为6 000m-1。     

考虑塑性损伤的船体裂纹板低周疲劳裂纹扩展行为研究

船舶结构的扩展断裂失效往往是低周疲劳破坏和累积递增塑性破坏耦合作用的结果,疲劳裂纹的扩展就是裂纹尖端前缘材料刚度不断降低延展性不断耗失而逐渐分离的结果.基于弹塑性断裂力学理论,文章提出了考虑累积塑性损伤的低周疲劳裂纹扩展速率预测模型.通过低周疲劳裂纹扩展试验拟合出模型相关材料参数并验证预测模型的合理性.通过系列有限元计算对平均应力及应力幅值的影响因素进行了数值分析.该模型的计算结果与已有实验结果基本吻合;对合理预估船体裂纹板的常幅低周疲劳裂纹扩展寿命有重要意义.     

有效应力强度因子范围门槛值与载荷比关系的研究

不同载荷比下的有效应力强度因子范围门槛值△Keff.th往往被看作一个常数,然而疲劳实验数据结果通常散落在一个较窄的带宽范围内,而不是所期望的一条曲线。另外,基于改进的McEvily模型对△Keff.th进行的灵敏度分析表明△Keff.th对疲劳裂纹扩展率具有重要的影响,尤其是在占有大部分疲劳裂纹扩展寿命的近门槛值区域。因此,文章认为不同应力比下的△Keff.th为变量,并且通过三个方面对△Keff.th与应力比R的关系进行了深入的研究:(a)Schmidt和Paris提出的一个关于△Keff.th的简化模型和相应的试验数据;(b)基于传统的裂纹完全闭合概念的△Keff.th试验数据;(c)基于裂纹局部闭合模型的△Keff.th,p试验数据。分析结果表明,在应力比低于临界应力比时,随着应力比的增加,有效应力强度因子范围门槛值也相应增加;而应力比高于临界应力比时,有效应力强度因子范围门槛值随应力比的增加而减小。另外,通过对试验数据的曲线拟合分析表明,Lorentz分布能很好地描述相应的试验数据。     

考虑累积塑性的船体裂纹板变幅低周疲劳裂纹扩展行为研究

船舶结构的扩展断裂失效往往是低周疲劳破坏和累积递增塑性耦合作用的结果,疲劳裂纹的扩展就是裂纹尖端前缘材料刚度不断降低、延展性不断耗失而逐渐分离的过程。基于弹塑性断裂力学理论,文章在作者对常幅载荷下提出的考虑累积塑性损伤的低周疲劳裂纹扩展速率预测模型的基础上对具有单个过载峰的拉伸/压缩过载下的扩展行为进行了研究。通过低周疲劳裂纹扩展试验进一步验证了该预测模型能合理评估具有单个过载峰的拉伸/压缩过载下的低周疲劳裂纹扩展行为。     

Multi-scale modeling of fatigue crack propagation applied to random sequence of clustered loading

Fatigue crack propagation in marine structures is obviously governed by mechanics of the considerably different four levels of multi-scale problems. Problems of structural response to environmental loads have length scale of several hundred meters, whereas possible detectable size of cracks from initial defects in a weld is of the order of millimeters. Once a fatigue crack initiates, crack tip plasticity is of the order of several grain sizes, while the resulting fatigue crack growth in each load cycle is of the order of nanometers. In our previous work, the first author and their associates have developed the so-called CP-System, which can treat the first two multi-level problems as an integrated system. Furthermore, we have incorporated the third level of mechanics by using the stress intensity range corresponding to the repeated tensile plastic deformation ahead of the crack tip. In the present paper, we shall discuss a more rational integral equation-based formulation in order to integrate the third and fourth levels of micro-mechanics to the first two levels of continuum mechanics.The method is then applied to fatigue crack propagation under the effects of random sequence of clustered loading. As an example of the random sequence of clustered load, we shall use the so-called “storm model”. In the crack propagation simulation, we have to take into account of the plastic wake on the crack surfaces, whose thicknesses are influenced by the material parameters involved in the crack growth model. These parameters are first identified by the fatigue tests under combined constant and random loading using a CT specimen. Then, fatigue crack growth is investigated by numerical simulation and fatigue tests for various random sequences of clustered loading. The experimental and numerical results agree quite well with each other, and fatigue crack propagation is found to be considerably retarded under random sequence loading, so that the conventional equivalent stress approach may provide rather conservative results to the real seaway loading.     

改进的疲劳裂纹扩展率模型及其参数估算方法

疲劳裂纹扩展率曲线是任何基于裂纹扩展理论的疲劳寿命预报方法的基本疲劳特性。论文作者们提出了一种改进的疲劳裂纹扩展率模型,它可以解释金属疲劳试验中观察到的各种现象。为了便于工程应用,文中也给出了如何利用除裂纹扩展试验以外的其它试验结果来估算该模型参数的方法。文中还对恒幅载荷下该模型及其参数估算方法对HTS-A钢的适用性进行了分析,分析结果将为利用该模型预报由HTS-A型钢制成的海洋结构物的疲劳寿命提供基础。     

A unified fatigue life prediction method for marine structures

Marine structures such as ships and offshore platforms are mostly designed with damage tolerance and this design philosophy requires accurate prediction of fatigue crack propagation process. Now more and more people have realized that only a fatigue life prediction method based on fatigue crack propagation (FCP) theory has the potential to satisfy the accuracy requirement and to explain various fatigue phenomena observed. In the past several years, the authors’ group has made some efforts in developing a unified fatigue life prediction (UFLP) method for marine structures. The key issue for this development is to establish a “correct” crack growth rate relation. In this paper the improvement of the crack growth rate model is dealt with first. A new crack growth rate model based on the concept of partial crack closure is presented. The capability of the model is demonstrated. Secondly, studies on the engineering approaches to determine the parameters in the new crack growth rate model are carried out and validated by comparing with the experimental results on a wide range of alloys. Thirdly, the preliminary studies on some significant problems such as load sequence effect are presented. Finally, further studies for the application of the UFLP method to the fatigue strength assessment of marine structures are pointed out.     

基于腐蚀疲劳裂纹扩展的自升式海洋平台桩腿时变可靠性研究

本文研究了腐蚀与疲劳载荷耦合作用下自升式平台桩腿服的可靠性问题。采用ANSYS对自升式海洋平台桩腿结构进行建模,根据平台服役海域的波浪散布图对桩腿结构的工况进行划分,确定浪溅区桩腿结构的疲劳关键节点及其等效应力;以桩腿材料E690高强钢为对象,进行腐蚀疲劳裂纹扩展实验,获得了不同环境下的疲劳裂纹扩展参数;提出了基于断裂力学的浪溅区桩腿关键节点的时变可靠性模型,与采用现有腐蚀模型的桩腿时变可靠性指标进行了对比,结果表明了本文所提方法能有效地反映平台桩腿服役期间关键节点的时变可靠性变化趋势,为平台在服役期间的安全运行与维护保养提供了理论指导。