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。     

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。     

大结构模型中多裂纹种类并行疲劳试验方法研究

大结构模型低周疲劳试验周期较长,成本高,一般情况只能通过一只或少量的模型研究裂纹的形成机理和扩展规律,确定裂纹的形成寿命和扩展寿命.文章通过开展裂纹尖端的应力场研究,提出了一种在大结构模型中预制多种裂纹类型同时进行低周疲劳试验的并行疲劳试验方法.利用该方法开展了锥柱结合壳结构模型疲劳试验,得到了该模型的多种裂纹类型的裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命试验结果,验证了并行疲劳试验方法的可行性和可信性.     

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.     

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.     

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。     

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。     

用裂纹扩展随机模型估算潜艇耐压壳体的疲劳寿命

用Paris公式预测以时间为函数的疲劳裂纹扩展，要考虑很多不确定因素，问题十分复杂。本文引用了考虑裂纹尺寸变异性的裂纹扩展随机模型，估算了潜艇的耐压壳体在不同循环次数下疲劳热点的疲劳寿命，并将结果与使用建立极限状态方程的一阶二次矩法估算的疲劳寿命进行了比较和分析。     

用裂纹扩展随机模型估算潜艇耐压壳体的疲劳寿命

用Paris公式预测以时间为函数的疲劳裂纹扩展,要考虑很多不确定因素,问题十分复杂.本文引用了考虑裂纹尺寸变异性的裂纹扩展随机模型,估算了潜艇的耐压壳体在不同循环次数下疲劳热点的疲劳寿命,并将结果与使用建立极限状态方程的一阶二次矩法估算的疲劳寿命进行了比较和分析.     

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。     

过载保载对金属材料疲劳裂纹扩展速率影响研究

文章基于载荷次序效应产生影响的原因和相关预报模型,提出了考虑单峰过载和保载共同作用下疲劳裂纹扩展速率预报模型。在文中提出的考虑载荷次序效应的疲劳裂纹扩展速率预报模型的基础上,对几种金属材料在单峰过载、多峰过载、过载与保载共同作用下疲劳裂纹扩展速率进行了预报研究,并将预报结果与相应试验结果进行了比较,对考虑载荷次序效应的疲劳裂纹扩展速率预报模型的适用性进行了验证。     

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。     

Prediction of crack growth in 350WT steel subjected to constant amplitude with over- and under-loads using a modified wheeler approach

Previous efforts have suggested that tensile overloading may cause significant crack growth retardation. On the other hand, crack growth acceleration may occur under the influence of compressive underloading. In practice, however, the effects of compressive underloading are often neglected. An experimental/analytical and computational investigation was therefore undertaken to evaluate the effects of both tensile and compressive overloading on the fatigue crack growth behavior in 350WT steel.Simplicity and accuracy in fatigue crack growth prediction is of extreme importance. One of the most commonly used models for crack growth prediction under variable amplitude loading is that of Wheeler. Unfortunately, overload effects involving compression cannot be handled by the model in its current form. Using a computational methodology, an effective plastic zone was established as a mean to incorporate the sequence effects, thus resulting in creation of a modified Wheeler approach. Fatigue life predictions provided by the revised approach/model agree reasonably well with experimental results.     

高强度钛合金深潜器载人舱在三种不同类型载荷下的裂纹扩展预报

随着安全性要求的提高,深潜器耐压舱的疲劳寿命评估变得越来越重要。对于耐压舱,在其服役期间经历的载荷历程包括扰动疲劳载荷和相对稳定的蠕变载荷,目前尚未有公认合适的模型来描述这一载荷谱历程。传统疲劳寿命预报方法通常忽略蠕变效应导致疲劳寿命预测较大的不确定性。为了更清楚地理解这一机理,该文对深潜器耐压舱用β-退火钛合金TC4 ELI的裂纹扩展率进行了理论分析,分别引入了三种类型载荷作用下的裂纹扩展率模型。并开展了在包含过载和保载载荷的一系列循环三角载荷下的疲劳裂纹扩展试验,对理论模型进行了验证,为合理评估深海载人潜水器的疲劳寿命提供了基础。     

基于改进子模型技术的TLP平台疲劳分析

研究适用于TLP平台的疲劳分析方法。首先建立TLP平台的整体结构模型,运用基于累积损伤理论的疲劳谱分析法,根据整体分析初步确定TLP平台疲劳关键节点位置,即疲劳敏感部位。然后建立疲劳敏感部位的中间模型与精细子模型,运用改进的子模型技术分析计算得到关键节点的热点应力,并根据疲劳谱分析法计算关键节点的疲劳寿命,并将之与传统子模型技术的计算结果比较。分析表明,改进的子模型技术比传统方法的应力计算结果更加精确,有利于得到更加真实的疲劳寿命计算结果。     

海洋平台结构系统疲劳可靠性分析方法

本文研究了海洋平台结构系统疲劳可靠性评估方法。文中对平台结构简生管节点疲劳可靠性分析模型进行了简单的评述，在该模型的基础上，建立了用S－N曲线模型与断裂力学模型分别计算平台完好管节点及有初始裂纹管节点疲劳寿命的平告结构系统疲劳可靠性分析模型。作为一个算例，文中运用作者开发的程序系统，对一固定式导管架平台进行了疲劳可靠性计算。     

A simplified life estimation method for the spherical hull of deep manned submersibles

Creep and fatigue are involved in the loading of deep manned submersible, which is a rather complex variable amplitude pattern. Dwell effects resulting in lower life than pure fatigue are observed in the prior experimental research while no proper prediction methods are available to explain the phenomenon. Recently, the authors proposed a modified crack growth rate model to explain the creep effect under the cyclic loading which is validated for the crack growth of some titanium alloys under cyclic creep loading, however, its application is restricted to the condition where lots of parameters have to be determined based on many experiments and it is not very convenient in the material selection and primary design stage of a component. In this paper, a simplified prediction model for the load pattern of constant amplitude cyclic loading is proposed aiming at one of the most applicable materials for the pressure hull of submersibles, Ti–6Al–4V ELI. The method can be easily used to estimate the life of the pressure hull based on two series of basic mechanical properties of the material and validated by the modified crack growth rate model with parameters determined by large amounts of experimental data.     

考虑平台—群桩—水流—土体相互作用的导管架式海洋平台振动特性研究

文章分别采用平台—群桩—水流—土体相互作用模型和考虑附加水质量的等效桩模型,对三维平台结构在地震作用下的响应结果进行了比较研究。研究表明,等效桩模型的动力响应结果要大于考虑平台—群桩—水流—土体相互作用模型。分别采用平台—群桩—水流—土体相互作用的三维分析模型和简化模型计算平台的固有频率,通过比较两种模型的计算结果,对简化模型进行了频率修正,提出修正系数关系曲线。这种方法节省计算时间,提高计算精度,可为海洋平台的振动特性计算提供参考。     

Full-scale fatigue tests of ship structures to validate the S–N approaches for fatigue strength assessment

Ships belong to those welded structures which are prone to fatigue due to high cyclic loads. Different approaches exist for the fatigue strength assessment which are varying between the industrial sectors. Therefore, deeper fatigue strength investigations were performed in Germany within an industry-wide joint research project aiming at the harmonization of the approaches. Regarding ship structures, two types were selected for full-scale tests. The first concerned web frame corners being typical for roll-on/roll-off ships (ro/ro) ships, from which three models were tested under constant amplitude loading. The second type was the intersection between longitudinals and transverse web frames, which recently showed fatigue failures in containerships. Five models were tested, three under constant and two under variable amplitude loading. All tests showed a relatively long crack propagation phase after first cracks had appeared, calling for a reasonable failure criterion. For the numerical analysis, the structural hot-spot stress as well as the effective notch stress approach have been applied. The latter allows the consideration of the weld shape which could partly explain differences in the observed and calculated failure behaviour. Another factor is the distribution of welding-induced residual stresses, which obviously affected the failure behaviour in the web frame corner as well. Insofar the investigations give a good insight into the strength behaviour of complex welded structures and into current problems and opportunities offered by numerical analyses.