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。     

疲劳裂纹扩展规律的正切模型

为了用解析方法合理地描述疲劳裂纹扩展的三个阶段,提出了一种新的疲劳裂纹扩展模型——正切模型。该模型驱动力使用应力强度因子幅值K,能够描述裂纹扩展的三个阶段,且只有四个参数需要确定。通过非线性拟合确定疲劳裂纹扩展正切模型中的四个参数。研究了门槛值Kth和失稳值Kf与应力比R的关系,以及四个参数对裂纹扩展速率的影响。最后比较了试验值、九参数模型和正切模型在疲劳裂纹扩展速率曲线和裂纹扩展长度变化曲线等方面的差别,发现正切模型结果与试验数据较为吻合。该模型描述的裂纹扩展长度变化曲线能够较好地用于疲劳寿命评估。     

广义疲劳裂纹扩展模型在单一过载疲劳问题中的应用

对于复杂载荷作用下的船舶及海洋工程结构物,至今仍没有一个统一的疲劳寿命预报模型能够很好地解释载荷次序效应的影响.单峰过载下的疲劳裂纹扩展问题是研究变幅载荷疲劳问题的基础,伴随单峰过载将出现疲劳裂纹扩展迟滞现象.课题组所提出的广义疲劳裂纹扩展模型能够定量地预报出过载迟滞这一现象,通过确定过载参数β的大小,能够有效地衡量出过载迟滞的程度.在此基础上,文章将广义的疲劳裂纹扩展模型进行了进一步的修正,通过引入一个幂指数项,使得模型能够更好地反映出过载后疲劳裂纹扩展速率由迟滞的最低点逐渐恢复到过载前的水平.文中将课题组所发展的广义疲劳裂纹扩展率模型应用于实际的单峰过载疲劳问题中,并引用铝合金D16Cz的单峰过载试验数据与模型预报结果进行了比较,结果发现,经修正的广义疲劳裂纹扩展模型能够更好地反映出单峰过载后的疲劳裂纹扩展情况.     

用现有疲劳试验数据确定疲劳裂纹扩展率

疲劳寿命的预报在船舶与海洋工程领域中相当重要，但其关键问题是要找到一种较科学的疲劳寿命预报方法。最近，本文第二作者提出了一种海洋结构物疲劳寿命预报的统一方法。该方法是基于疲劳裂纹扩展理论而发展起来的，在其九个参数模型的假设之下，能够较好地解释一些其它方法所不能解释的现象。采用该方法的主要障碍在于需要确定疲劳裂纹扩展率。作者通过对不同的疲劳裂纹扩展率的比较研究，并推广McEvily模型后，提出了一个具有较宽适用范围的九个参数疲劳裂纹扩展率模型(从门槛域一直到不稳定断裂域)。本文的主要目的是解决如何根据一些现有的疲劳试验数据来确定这九个模型参数的问题。文中给出了通过实验数据确定裂纹扩展率模型中各个参数的方法，并进行了模型参数的灵敏度分析。通过对文献中一些试验数据的收集，给出了几种常用金属材料的裂纹扩展率模型参数。     

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。     

基于疲劳裂纹扩展率单一曲线模型的疲劳寿命预测

基于疲劳裂纹扩展率单一曲线模型对铝合金D16CzATWH等在不同加载次序下的疲劳裂纹扩展行为进行了预测.通过与已有文献试验数据和NASGRO条带屈服模型的计算结果进行比较,发现本模型的预测结果和试验数据符合得较好,并能解释NASGRO模型不易解决的过载迟滞效应.同时该模型需要的参数相对较少且易于确定,因此该模型有良好的工程适用性.模型中载荷效应指数与过载频率以及过载幅度相关,它的取值对预测结果有显著影响.     

Ti-6Al-4V疲劳小裂纹扩展速率研究

针对金属材料疲劳小裂纹扩展特点,在改进疲劳寿命预报统一方法的基础上对裂纹长度及小裂纹门槛值进行了进一步修正,提出了金属材料疲劳裂纹扩展预报修正模型,着重对钛合金Ti-6Al-4V的疲劳小裂纹扩展行为进行了预报研究,对比参考文献中的试验结果,验证了预报结果的可靠性.研究结果表明,该修正模型对Ti-6Al-4V疲劳小裂纹扩展速率具有较好的预报能力.     

一种改进的疲劳裂纹扩展表达式

疲劳裂纹扩展率表达式是采用疲劳裂纹扩展理论预报疲劳寿命的核心.迄今为止,已有上百种不同的疲劳裂纹扩展率公式被提出.近年来,作者们致力于对新近提出的裂纹扩展率公式进行比较研究.通过初步研究发现,McEvily公式能解释比较多的异常疲劳现象,因此,它有比较强的预报能力,值得作深入研究.本文针对它采用固定斜率不能与很多实验结果有很好拟合的缺点,提出采用变斜率的改进形式.通过采用不同材料(钛合金D16Cz、铝合金D16Cz、ARMCO-iron)、不同应力条件(R≥0、R＜0、R=-∞)下的疲劳裂纹扩展数据进行分析验证,发现不管是疲劳短裂纹扩展还是疲劳长裂纹扩展,改进后的McEvily关系均具有良好的疲劳性能预测能力.     

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.     

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。     

考虑小裂纹和保载时间效应的疲劳可靠性分析

大深度载人潜水器的载人舱材质是高强度金属,不可避免地会受到疲劳损害现象的挑战。实际的载人舱结构中存在着由外部因素和内部因素引起的不确定性,其疲劳寿命将受到这些不确定性的影响。在前期的研究中,课题组基于统一的疲劳裂纹扩展率模型进行了疲劳可靠性分析方法的探讨,可作为进一步进行载人舱疲劳寿命预报的基础。但是,该模型无法反映小裂纹和保载时间的影响,而这正是载人舱结构和所受载荷的重要特征,应进行深入研究。所以,课题组提出了一个小裂纹扩展率模型和两个反映保载时间效应的裂纹扩展率模型,以更好地解释载人舱用钛合金金属的蠕变疲劳特性。文中基于这三个模型,结合不同的理论方法,进行了疲劳可靠性分析,考察了可靠度分析方法之间的不同、输入参数以及不同的裂纹扩展理论模型对结构的疲劳可靠性的影响。     

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。     

基于改进的统一疲劳裂纹扩展速率模型的表面裂纹扩展规律预报

很多学者对表面裂纹形状变化规律进行了研究,但是理论上仍存在较大缺陷,因此现有方法预报结果的准确性有待考察。文章作者们提出了一个改进的统一疲劳裂纹扩展速率模型,本模型合理考虑了材料的非线性效应和裂纹前缘的三维约束效应及三维约束大小在前缘各点的分布函数。通过引入等效厚度的概念及法线方向扩展的假定较好地考虑了裂纹前缘各点对扩展之后形状比变化规律的影响,预报得到的裂纹前缘形状能够观察到明显的边界点扩展滞后现象,同时本模型预报结果与试验结果及传统模型预报结果进行了比较,证明本模型提高了表面裂纹扩展规律预报的精度。     

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.     

金属疲劳裂纹扩展率曲线与S-N曲线之间的关系

目前有两种不同的理论用于预报金属结构的疲劳寿命。一种是基于S－N曲线的累积疲劳损伤理论，另一种是基于裂纹扩展率曲线的疲劳裂纹扩展理论，如果都把一个构件的最终断裂作为疲劳破坏的定义，则S－N曲线和裂纹扩展率曲线均是反映金属在疲劳载荷作用下的基本材料特性。尽管在过去这两种曲线是分别测试的，但它们之间应该存在一些相互关系。本文的主要目的就是讨论它们之间的关系。基于S－N曲线的一个一般表达式和裂纹扩展率曲线的一个有代表性的表达式，本文建立了两种曲线之间的一个正式关系，这表明只需要测试一种曲线，而另一种曲线就可以根据已有的试验结果导出。文章以一个中央裂纹平板作为例子，演示了如何根据一种曲线推导另一种曲线。