新型钛合金材料疲劳寿命试验及预报方法研究

为保障我国深海载人潜水器耐压壳结构安全性,本文针对耐压壳用新型钛合金的疲劳特性开展了不同应力水平下疲劳裂纹扩展门槛值试验以及疲劳寿命试验研究;获得了新型钛合金材料在载荷比R=0.1下的门槛值以及不同应力水平下该材料的疲劳寿命值;并基于断裂力学方法,对新型钛合金材料疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究,将预报结果与相应试验结果进行了对比,从而验证预报方法的可行性和可靠性.     

新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展特性研究

本文针对海洋结构物用的一种新型钛合金材料，开展疲劳裂纹扩展速率和复杂载荷谱下保载-疲劳裂纹扩展速率试验研究，综合探讨上峰值保载时间和下峰值保载时间对该新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展行为的影响规律；基于断裂力学理论，建立新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型，采用试验方法验证该模型对新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展行为的预报能力。研究结果表明：新型钛合金材料疲劳裂纹扩展行为对上、下峰值保载时间较敏感，随着上峰值和下峰值保载时间的增加，裂纹扩展速率增加，但是裂纹扩展速率增加的趋势逐渐减小，即上、下保载时间对新型钛合金材料裂纹扩展速率的影响具有一定的饱和值。提出了新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型，对复杂载荷谱下的保载-疲劳裂纹扩展速率进行了预报研究，预报结果与试验结果吻合较好。     

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.     

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。     

含缺陷船体纵骨节点疲劳裂纹扩展寿命评估

船舶纵骨节点往往存在焊接缺陷,焊接缺陷将引发裂纹,大大降低构件的疲劳性能。本文基于断裂力学理论,将焊接缺陷等效成半椭圆型表面裂纹,采用FRANC3D和ABAQUS联合仿真的方法,研究带初始裂纹的船舶舭部纵骨与横舱壁连接节点裂纹的扩展寿命评估方法。分析了初始裂纹位置、形状、裂纹面角度对裂纹扩展寿命的影响规律。并根据纵骨节点试验中的初始缺陷的位置,采用此联合仿真方法模拟了裂纹扩展过程。结果表明初始裂纹位置、形状对扩展寿命影响较大,随着初始裂纹向腹板靠近,寿命变短,裂纹扩展寿命随着初始裂纹形状比的增大而增大。初始裂纹角度对疲劳寿命影响不明显,随着角度增大,寿命变长。通过对试验中初始缺陷的等效简化,在裂纹稳定扩展阶段,仿真得到的裂纹扩展寿命与试验结果吻合较好。     

考虑残余应力效应的深潜器耐压壳体疲劳研究

本文考虑焊接残余应力的影响,给出包含裂纹萌生和裂纹扩展全过程的载人深潜器耐压球壳疲劳寿命预报方法,分别基于局部应力-应变法和能计及负应力比效应的裂纹扩展单一曲线模型预报了耐压球壳的工艺疲劳寿命和使用疲劳寿命,研究焊接残余应力大小对球壳疲劳寿命的影响。结果表明,忽略拉伸残余应力的影响将导致疲劳寿命预测结果偏于危险;耐压球壳整体受压时,拉伸残余应力使得球壳局部区域承受拉-压循环载荷,计算使用疲劳寿命过程中须考虑其影响;降低拉伸残余应力可有效提高耐压球壳的疲劳寿命。     

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。     

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.     

基于断裂力学的破冰船结构疲劳损伤评估方法

在极地恶劣的低温环境及冰载荷冲击下，破冰船结构的表面裂纹呈现出不同于常规水面船舶的疲劳裂纹扩展特性。以“雪龙2”号破冰船首部结构为例，基于断裂力学方法开展破冰船结构节点处的疲劳裂纹扩展研究。首先基于焊接节点处应力强度因子的理论解，对表面裂纹扩展方法进行验证；然后通过整体-局部耦合分析方法提取典型疲劳节点处的结构子模型。基于低温下材料的Paris参数和结构裂纹扩展模拟方法进行裂纹扩展分析。还讨论了初始裂纹尺寸和低温下材料的Paris参数对结构裂纹扩展的影响。结果表明，破冰船典型结构节点处的裂纹扩展对初始裂纹尺寸和温度较为敏感。     

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。     

海洋结构物疲劳裂纹扩展寿命的一种工程预报方法

海洋结构物疲劳寿命的准确预报对海洋结构安全具有重要意义。基于裂纹扩展的寿命预报相比于常规的基于累积损伤理论的寿命预报方法,能够考虑载荷次序、初始缺陷等重要因素的影响,各大船级社极力推进裂纹扩展理论在海洋工程中的应用。文章从裂纹扩展法则、应力强度因子求解、疲劳载荷谱模拟上对裂纹扩展理论的工程应用进行研究,试图找出准确、合理且相对简单的方法。结合裂纹扩展的单一曲线模型、基于有限元子模型技术的应力强度因子求法以及基于谱分析的疲劳载荷谱产生方法,对某半潜式钻井平台典型焊接节点进行基于裂纹扩展疲劳寿命预报,并讨论了初始裂纹尺寸对疲劳寿命的影响。结果表明,该半潜平台焊接结构符合设计寿命的要求,初始裂纹尺寸对疲劳寿命影响很大,可为海洋结构物基于裂纹扩展的疲劳寿命预报提供参考。     

考虑焊接残余应力释放的结构疲劳寿命分析方法研究

焊接残余应力对于焊接结构的疲劳寿命产生很显著的影响,同时循环载荷作用下焊接残余应力会出现释放现象,因此有必要对焊接件疲劳寿命预测方法进行研究.基于改进的McEvily疲劳裂纹扩展速率模型,同时结合课题组研究得到的AH36钢对接焊平板残余应力释放计算公式,提出考虑焊接残余应力释放的结构物疲劳寿命计算方法.随后,以潜艇锥柱耐压壳的疲劳为例,详细阐述了本文提出的疲劳寿命分析方法的计算流程.考虑耐压壳焊接顺序影响,分析了含半椭圆表面裂纹的锥柱耐压壳疲劳寿命.对比文献的试验结果,表明焊接结构疲劳寿命计算公式有较好的预测效果,可以用于评估带表面裂纹焊接件在拉伸循环载荷作用下的疲劳寿命.     

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.     

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。     

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。     

复杂载荷作用下潜艇结构疲劳裂纹扩展预报方法

统一疲劳裂纹扩展模型是课题组在McEvily模型基础上提出来的,它将疲劳裂纹扩展的3个扩展区域统一起来,并能解释更多的疲劳试验现象.本文介绍了统一疲劳裂纹扩展模型的基本表达式.将此模型与焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子的计算方法结合起来,探讨复杂载荷作用下潜艇结构疲劳裂纹扩展预报方法.将服从Weibull分布的随机载荷系列编排为升序、降序载荷谱及随机载荷谱,预报潜艇锥柱结合壳焊缝焊趾处表面裂纹在3种载荷谱下的疲劳裂纹扩展情况,并分析随机载荷谱下载荷次序效应及初始裂纹尺寸对疲劳裂纹扩展行为的影响.结果表明,载荷次序效应对潜艇结构疲劳寿命的影响很明显,且合理的确定初始裂纹尺寸对潜艇结构的疲劳寿命预报是非常重要的.     

4500米级载人深潜器耐压球壳疲劳可靠性分析

采用能计及裂纹闭合以及裂纹前缘的三维约束效应的裂纹扩展预报模型对我国研制中的4500米载人深潜器钛合金耐压球壳的疲劳寿命研究。参考国外同级别深潜器下潜统计数据建立了疲劳载荷概率模型,基于响应面法开展了疲劳可靠性分析,得到了失效概率及各随机变量参数敏感性结果,对载人球壳抗疲劳设计及结构安全性评估具有一定的参考意义。