Historical review of research on brittle crack propagation arresting technology for large welded steel structures developed in Japan with the application of Kca parameters

In response to the concern of increased risk of brittle fracture accompanying the recent enlargement of container ships, experimental research is being conducted to investigate brittle crack propagation arrest properties in Japan. The objective is to obtain the required toughness of the material to arrest brittle crack propagation in a 100-mm thick plate, which is considered to be the maximum thickness used in such applications. The use of K_ca as a method for determining arrest toughness is a main difference with respect to methodologies employed in Europe and the United States. In this review, we compare the approaches for determining brittle crack propagation arrest properties that are used in Japan with those used in Europe and the United States. Moreover, we review recent research trends, particularly with respect to the background and development of K_ca parameters.With regard to the industrial application techniques concerning arrestability of brittle crack propagation in steel plates, studies in the ship and storage tank research fields date back to after World War II, while some attention is also seen for nuclear power and line pipes. These research procedures were initially established in Europe and the United States, but was first adopted by Japan. However, soon after, Japan and the time when the research fell downward due to progress of steel manufacturing technology and defect management technology. Since then, research has actively resumed, and original contributions are being realised. The background of this work in Japan, and the creation of the K_ca concept will be explained herein. Further, the background of research on brittle crack propagation arrest properties in very large container ships, determination philosophy for deriving demand values, and ultrawide brittle crack propagation tests in the study of 75-mm thick material and their results are described. In both of the scenarios considered, i.e. one in which cracks are generated from the top of the hatch side coaming and arrested on the upper deck, and the other wherein brittle cracks occur at the upper deck end and are arrested in the hatch side coaming, the required K_ca was found to be 6000 N/mm^3/2.     

含裂纹集装箱船厚甲板剩余极限强度时变衰减及维修建议

研究含初始裂纹集装箱船厚甲板的裂纹扩展及对剩余极限强度时变衰减的影响对于船舶的安全运营有很重要的意义。以8530TEU集装箱船为例,对含裂纹板进行剩余极限拉伸强度计算。计算结果表明：寿命期内板的裂纹扩展有一临界值,当大于该临界值,裂纹扩展急剧增加,剩余拉伸强度也迅速减小,3-5年内板就会发生断裂。因此,建议在第10年对目标甲板进行一次大的检测维修,对裂纹扩展严重的构件的进行更换。     

循环载荷下考虑累积塑性影响的含中心穿透裂纹板CTOD研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)是评估结构材料韧性以及分析低周疲劳破坏引起的裂纹扩展的重要参量。结合Dugdale模型,以裂纹尖端累积塑性应变为控制参量,提出了一个循环载荷下含裂纹船体板的CTOD计算模型;利用有限元法模拟了裂纹尖端累积塑性应变、平均应力、裂纹长度等相关因素影响;结合最小二乘法拟合出了基于累积塑性塑性应变、平均应力比以及裂纹长度的两阶多项式。研究表明,基于累积塑性应变的CTOD计算模型为正确评估循环载荷下船体板的累积塑性破坏提供了一种新途径。     

EH47高强度厚钢板角焊缝裂纹修补工艺研究

随着造船业飞速发展,大量高厚度、高强度、高韧性的钢板被应用于大型集装箱船的上甲板区域。EH47是工业革新的最新成果,它的屈服强度高,被使用于万箱级集装箱船的上甲板区域。某船厂10000 TEU船舱口围钢板与舾装件角焊缝发生开裂,通过有限元计算出裂纹发生的可能性,并分析了开裂发生的原因,针对结构特点和材料特点,采用CO2气体保护焊焊补,通过选用合理的焊丝、预热温度、焊后保温等措施来防止裂纹的产生。     

大型集装箱船高强度厚钢甲板安全寿命评估方法

疲劳是船舶与海洋工程结构破坏的主要模式之一.高强度钢的应用使得结构的疲劳问题更加突出.对于采用以高强度厚钢板为甲板的大型集装箱船来说,有必要进行高强度厚钢板的焊接缺陷部位安全寿命评估方法研究.以应力范围的长期分布服从两参数Weibull分布的随机载荷为疲劳载荷,裂纹扩展率采用单一曲线模型预报裂纹在任意时刻的尺寸,结合应力强度因子并参考应力计算方法和失效评估图技术提出一套计算集装箱船高强度钢厚钢板安全寿命评估的方法.通过编制计算程序,对某集装箱船甲板进行安全寿命计算.最后,分析疲劳载荷谱对安全寿命的影响.计算结果表明：载荷回复期的长短和Weibull分布的形状参数的取值都会极大影响结构疲劳安全寿命.     

Fracture toughness of steel plate from MV Kowloon Bridge

Chemical analysis, tensile, Charpy, DW NDT and fracture mechanics toughness data are presented for a grade A steel plate from the Kowloon Bridge, a sister ship of Derbyshire. The plate is shown to have poor toughness under dynamic loading conditions. The results leave open the possibility that brittle fracture could have contributed to a structural failure in the Derbyshire even at the high temperature of +30°C which is reported to have existed at the time of the ship's disappearance. The results are felt to support the proposition that present classification society rules need tightening to reduce the risk of brittle fracture in ships.     

循环载荷下考虑累积塑性影响的船体板CTOD理论及数值模拟研究

裂纹尖端张开位移(CTOD)是研究大范围屈服的低周疲劳破坏的重要参数之一,其值可反映结构材料抵抗低周疲劳裂纹形成和扩展的能力,是评估结构材料韧性的重要参量以及分析低周疲劳破坏引起裂纹扩展的主要控制参量。文章基于弹塑性断裂力学理论,从循环J积分着手,以裂纹尖端累积塑性应变为重要参量,建立循环载荷下船体板CTOD理论模型,并在有限元模拟中分析了应力比、应力幅等相关因素影响。将本模型结果与有限元计算结果进行了比较,发现结果吻合良好。结果表明：在考虑累积塑性影响下,该模型能较好地反映在循环载荷下船体板CTOD的变化规律,同时也为正确评估循环载荷下船体板低周疲劳破坏与累积塑性破坏两种破坏模式耦合作用的总体断裂破坏提供了途径。     

考虑载荷流泄时初始裂纹对船舶和海洋工程结构疲劳可靠性的影响

在船舶和海洋工程结构中,裂纹扩大时的载荷流泄现象已被大尺度疲劳试验中裂纹扩展速度减慢所证实。影响疲劳裂纹扩展的因素具有随机性质,因而研究载荷流泄对船舶和海洋工程结构疲劳可靠性的影响是有意义的。本文用Paris公式,结合改进的第二水准法,计算了一个实例,给出了考虑和不考虑载荷流泄疲劳可靠性分析的两种结果。结果的区别表明,如果要期望得到更合理的结果,则在船舶和海洋工程结构的疲劳分析中必须计及载荷流泄。     

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.     

船用厚板高强度钢焊接性及其焊接裂纹的形成和预防

随着各类大型化、超大型化船舶的诞生，使得厚板高强度钢的使用日益广泛，但随之而来的是此类高强度钢易产生焊接裂纹的问题。文章列举了国内外船用厚板高强度钢焊接的工艺特点，分析了焊接裂纹的起因，并就预防措施进行了初步探讨。对从事船体结构的研究人员有一定的帮助。     

船舶焊接钛合金拉伸疲劳断裂机理的研究

通过对TC4钛合金焊接试样拉伸疲劳断裂试验结果及其断口和卸载表面观察分析,发现试样断口上有明显的河流花纹走向和起裂源,并伴有韧窝和韧性条带特征。起裂源常位于断口表面角落附近。其断裂机理是疲劳拉伸载荷作用下,在应力值比较高的时候一些沿层裂纹开始出现并扩展,当疲劳裂纹的长度达到与疲劳外加力所匹配的临界裂纹长度时,突然发生准解理断裂。试样断口呈现出准解理与韧窝断裂的混合特征。     

A toughness based deformation limit for fatigue-cracked X-joints under in-plane bending

This study reports a deformation limit for the initiation of ductile fracture failure in fatigue-cracked circular hollow section (CHS) X-joints subjected to brace in-plane bending. The proposed approach sets the deformation limit as the calculated crack driving force in a fatigue crack at the hot-spot location in the tubular joint reaches the material fracture toughness measured from standard fracture specimens. The calibration of the proposed approach and the numerical procedure utilizes two large-scale X-joint specimens with fatigue generated surface cracks. The subsequent numerical investigation covers X-joints with two different brace-to-chord intersection angles, a wide range of geometric parameters and a practical range of material parameters. The development of the deformation limit includes a non-dimensional material toughness, which covers both the geometric parameters and material properties. The lower-bound deformation limit thus developed exhibits a linear relationship with respect to the crack depth ratio and indicates consistent values among X-joints with different brace-to-chord intersection angles.     

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。     

42000吨散货船结构疲劳可靠性评估

本文从可靠性概念出发，对沪东造船厂建造的42000吨散货船甲板角隅结构疲劳强度进行安全评估。评估中考虑了疲劳数据的离散性、应力分析的误差以及波浪载荷的随机性等不确定因素，结果表明，该船甲板角隅的疲劳可靠性水平在0．98以上，即失效概率小于0．02，较好地反映了该船的实际情况。该评估方法也可用于集装箱船甲板大开口疲劳安全评估。选择合适的可靠性水平，保证角隅恰当的疲劳强度，避免角隅疲劳裂纹的产生，对集装箱船结构安全具有实际意义。     

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.     

随机载荷作用下焊接结构表面裂纹扩展研究

随机载荷作用下焊接结构表面裂纹的扩展问题是工程结构中常见的问题.文中设计了随机载荷作用下焊接结构的疲劳断裂试验,试样由平板以一定的角度焊接而成,配合相应的夹具采用轴向加载,在MTS疲劳试验机上进行试验,采用应变片对裂纹的萌生进行监测,用降载勾线法描绘裂纹的扩展形貌,最后利用试验数据对文献中提到的等效厚度法和等效应力强度因子法进行了验证,结果表明:这两种方法的计算结果都与试验结果比较接近,可以用于计算表面裂纹的疲劳扩展.     

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。     

随机海况下的船体结构疲劳裂纹扩展

传统的疲劳问题一般都是采用S—N曲线及Miner累计损伤理论进行的,文章在基于断裂力学的基础上,通过权函数法来计算应力沿裂纹面的非线性效应力强度因子,鉴于船舶在海洋环境中受到载荷的随机性,充分考虑加载次序、过载峰和应力比等对裂纹扩展的影响,给出了船舶结构疲劳裂纹在随机载荷下的扩展寿命的计算过程。     

耐压船体结构典型接点疲劳寿命评估

潜艇在潜浮过程中,由于静水外压引起的工作应力与焊接残余应力叠加,形成拉压循环应力,导致耐压船体的局部结构可能出现低周疲劳裂纹.一般情况下,高强度钢在抗拉强度提高的同时往往伴随着材料塑性储备和断裂韧性的下降,因此分析高强度钢潜艇结构的低周疲劳寿命非常重要.本文基于断裂力学和Paris公式建立了潜艇耐压结构低周疲劳寿命的工程估算方法,根据裂纹无损检测的概率统计和含裂纹圆柱壳极限应力分析,给出了初始裂纹和裂纹临界状态的建议值.应用本文的简化方法分析了某潜艇结构和锥柱结合壳模型的低周疲劳寿命,锥柱结合壳模型的数值算例表明本文的计算结果与试验测试结果相吻合.     

初始裂纹尺寸对疲劳可靠性的影响

疲劳是船舶、海洋工程和桥吊等钢结构的主要破坏机理之一。影响疲劳裂纹成长的因素具有随机性质。用Paris定律描述疲劳的扩展，假定疲劳裂纹初始具有半椭圆形状，且在裂纹扩展中保持着半椭圆形状。失效准则采用在具有N次应力周期的给定时间中裂纹超过临界尺寸。用Paris定律，结合改进的Ⅱ水平方法，对不同初始裂纹对断裂破坏的可靠度进行了分析计算。