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。     

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.     

2205双相不锈钢焊接工艺及耐腐蚀性能分析

采用不同焊接工艺对2205双相不锈钢进行焊接,分析不同焊接工艺对焊接接头力学性能、微观组织及耐腐蚀性能的影响。结果显示:在晶粒无明显长大时,焊缝及热影响区冲击韧性随奥氏体质量分数的增加而升高;采用熔化极气体保护焊(Gas Metal Arc Welding,GMAW)时,保护气体中加入N2可有效提高焊接接头各区域奥氏体质量分数,从而提高焊接接头力学性能及耐腐蚀性能;2205双相不锈钢母材及焊缝腐蚀速率均明显随腐蚀液质量分数的升高而增加。优化双相不锈钢焊接工艺参数,保证其焊接接头具有良好的综合性能,对于该类材料构件及产品的制造、推广及使用意义重大。     

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。     

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。     

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。     

考虑塑性损伤的船体裂纹板低周疲劳裂纹扩展行为研究（英文）

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。     

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。     

钢制金属I型夹芯板界面疲劳脱粘特性分析

[目的]针对金属I型夹芯板界面的脱粘失效破坏,开展金属夹芯板界面疲劳脱粘特性分析。[方法]基于内聚力模型理论,考虑时间历程、三维结构节点多自由度的损伤演化方程与收敛判定准则,开发适用于三维复杂结构的界面疲劳脱粘模拟程序;与焊接接头脱粘实验结果进行对比,验证所开发程序的准确性,并进一步对钢制金属I型夹芯板的界面疲劳脱粘行为进行数值模拟。[结果]结果显示,所开发的三维界面疲劳脱粘数值模拟程序与焊接接头脱粘实验间最大的模拟误差仅为14.05%;I型夹芯板承受面外载荷时,夹芯板界面处的脱粘破坏主要表现为沿焊缝方向的表面裂纹扩展,当裂纹扩展至夹芯板长度的70%左右时,裂纹开始贯穿腹板形成贯穿裂纹。[结论]所开发的三维复杂结构界面疲劳脱粘程序可以实现对金属夹芯板界面疲劳脱粘寿命的有效评估,对实际工程应用具有一定的指导意义。     

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.     

Fracture control of extremely thick welded steel plates applied to the deck structure of large container ships

The rapid enlargement of the size of container ships has led to the application of extremely thick plate in the deck structures, which may grow concerns about the fracture toughness at the butt-weld with large amount of heat input, and the arrest toughness of brittle crack propagation in the base metal of such thick plates. Also, slam-induced whipping stresses might affect the fatigue crack propagation and the initiation of a brittle crack in a container ship. In order to prevent the catastrophic failure of deck structures by brittle fracture, national joint research projects, which focused on the safety-related issues of extremely thick steel plate applied to hull of large container ships, were formed from April 2007 to March 2011 organized by the Japan Ship Technology Research Association (JSTRA) supported by the Japanese Government in collaboration with universities, national research institute, classification societies and relevant industries including shipbuilding, steel manufacturing and shipping companies. The joint research projects have carried out the investigations on crack initiation toughness of the weld, fatigue crack propagation under seaway loading, the potential of defect detection by ultrasonic testing, and the crack-arrest methods after brittle crack propagation. Practical recommendations to prevent brittle fracture of large container ships were proposed based on these comprehensive investigations. The essential parts of the above research activities are presented in this paper.     

有效应力强度因子幅值计算模型的验证

裂纹闭合效应在金属疲劳中有着十分重要的作用,裂纹闭合概念已经用于解释变幅载荷作用下的裂纹扩展问题,已提出了许多基于裂纹闭合概念的有效应力强度因子计算模型.黄等人在Newman模型的基础上,提出了考虑因素更全面且便于应用的有效应力强度因子幅计算模型以及变幅载荷下工程结构疲劳寿命预测模型.为了验证该模型对不同材料的有效性和适应性,收集了一些相关的试验数据,和该模型的预测结果对比发现该模型的预测结果和试验数据符合得很好.对几种钢、铝合金和钛合金材料在不同应力比下的裂纹扩展速率数据用该模型转换成用有效应力强度因子表示的裂纹扩展速率,结果表明由有效应力强度因子幅表示的扩展速率将不同应力比下较分散的裂纹扩展率数据集中在一个很小的分散带内,同时得到了有参考价值的的一些结论.     

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。     

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。     

一种复杂载荷作用下船舶结构疲劳裂纹扩展预报方法

风暴模型是Tomita等提出的用来评估船舶结构疲劳强度的一种随机波浪载荷简化模型,它能表达波浪载荷是与时间相关的随机过程。文中介绍了风暴模型及波浪诱导应力短期分布的基本特征。将风暴模型和裂纹扩展率单一曲线模型及焊趾表面裂纹应力强度因子的计算方法结合起来,探讨了复杂载荷作用下船舶结构疲劳裂纹扩展预报方法。并用权函数法计算了给定残余应力分布的表面裂纹应力强度因子。预报了对接焊接接头焊趾处表面裂纹在风暴波浪载荷作用下的疲劳裂纹扩展行为,结果表明风暴的大小、顺序,初始裂纹尺寸及残余应力对裂纹扩展行为影响明显。合理的风暴模型参数及初始裂纹尺寸的确定对船舶结构的疲劳寿命预报是非常重要的。     

450MPa级船体钢焊缝疲劳试验研究

通过对450MPa级船体用钢母体试件、焊缝试件在波浪随机载荷和均方根等效载荷下的疲劳裂纹扩展规律的试验和模拟计算，结果表明用均方根等效载荷替代波浪随机载荷下的疲劳裂纹扩展规律是一种安全有效的方法，并且焊缝金属在抵御疲劳裂纹扩展方面优于母材金属。     

Crack growth direction effects on corrosion-fatigue behaviour of offshore wind turbine steel weldments

In this study corrosion-fatigue tests have been conducted on fracture mechanics specimens extracted from an S355 G10+M structural steel welded plate. The tests have been performed on compact tension specimens with the crack tip located in the heat affected zone. The corrosion-fatigue test results from this study have been compared with the data available on the base metal as well as air tests on the same material. Moreover, the obtained results have been compared with the corrosion-fatigue data available in the literature on a wide range of steels and also the fatigue trends for welded joints in free-corrosion condition recommended in the BS7910 Standard. The effect of the specimen orientation, with respect to the weld region, is also examined in this study and it has been found that higher corrosion-fatigue crack growth rates are generally observed in the tests with 0° orientation. The results have also shown that the corrosive environment has significant effects on the fatigue crack growth acceleration at the beginning of the tests; however, as the crack propagates, the environmental damage effect on crack growth behaviour becomes less pronounced. The results presented in this study are discussed in terms of improvement in the structural integrity assessment of offshore wind turbine monopiles.     

07MnNiCrMoVDR钢在硫化氢溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率数学模型

本文通过试验研究07MnNiCrMoVDR钢在硫化氢水溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展特性,根据试验数据,利用神经网络,以介质浓度、载荷频率、应力比作为输入节点,裂纹扩展速率系数C作为输出节点,训练该网络预测不同条件下的裂纹扩展速率.根据由神经网络所预测的数据找出这三个影响因素在裂纹扩展速率系数C中的关系表达式,从而回归出07MnNiCrMoVDR钢在硫化氢水溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展速率数学模型.     

超声冲击处理对高强钢焊接接头残余应力影响的数值模拟

超声冲击处理(UIT)是一种有效的焊后改善焊接接头疲劳性能的工艺措施,其借助机械撞击和超声振动的共同作用,使焊趾表面产生塑性变形从而引入有益的压缩残余应力。为评价UIT技术对焊接接头残余应力的影响,该文提出了一套新的数值分析方法,包括焊接数值模拟及随后的超声冲击处理过程的动态弹塑性有限元分析。在有限元模型中考虑了实际的工艺参数和超声促成的材料软化效应。以船用高强钢AH36非承载十字焊接接头为研究对象,将预测的超声冲击处理前后的残余应力分布与实验结果进行对比,两者有较好的吻合。在此基础上,探讨了静态预载荷对超声冲击处理态残余应力再分布的影响。     

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。