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。     

拉伸载荷下加筋板裂纹扩展研究

采用预制缺口的加筋板结构试样,对921A钢加筋板结构进行拉伸疲劳载荷作用下的低周疲劳试验,采用奇异单元法计算相应试件的裂纹尖端应力强度因子,利用Paris准则得出裂纹扩展速率与应力强度因子的关系式,得到拉伸疲劳载荷作用下舰体加筋板结构破口裂纹扩展模型,用于分析和预报破损舰船结构在波浪中航行时的裂纹扩展情况和剩余疲劳寿命预报,算例验证了本试验计算方法的合理性。     

破损舰体结构疲劳裂纹扩展及剩余寿命研究

采用预制缺口的907A钢平板结构试样进行拉伸疲劳载荷试验,得到了拉伸疲劳载荷作用下平板结构破口裂纹扩展规律.采用奇异单元法计算了相应试件的裂纹尖端应力强度因子,利用Paris准则得出裂纹扩展速率与应力强度因子的关系式.提出了破损舰体结构的疲劳裂纹扩展模型,用于估算破损舰船结构在波浪中航行时的裂纹扩展分析和剩余寿命预报.通过某型舰算例验证了文中试验计算方法的合理性.     

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.     

厚钢板疲劳裂纹扩展前缘应力状态试验与数值仿真

复杂的环境载荷不可避免地会造成海洋结构物的疲劳损伤,而高强度厚钢板典型的三向应力状态会增加结构脆性,更加缩短结构的疲劳寿命。为研究厚板裂纹前缘应力状态沿板厚方向的分布,完成了3组36 mm板厚Q370QE高强度钢的标准疲劳裂纹扩展速率试验,得到了材料参数C,m以及应力强度因子门槛值。接着,应用有限元方法分别基于线弹性分析和塑性分析计算裂纹尖端应力强度因子和裂纹尖端局部约束因子,并解释试验中裂纹前缘由倾斜趋于平直的现象。计算所得裂纹尖端应力强度因子可描述板厚中心部分裂纹前缘的应力状态,但在试件表面处结果失真,而裂纹前缘局部约束因子因考虑了厚板的厚度效应,故沿板厚方向分布的裂纹尖端局部约束因子可有效量化裂纹尖端的应力状态分布。     

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。     

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。     

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.     

一种变幅载荷下疲劳裂纹扩展的预测方法

文章提出了一种基于裂纹尖端弹塑性应力应变关系的预测变幅载荷下疲劳裂纹扩展的方法。该方法通过对裂纹前端过程区单元的弹塑性应力的循环叠加,得到裂纹扩展过程中的应力、应变关系,兼顾了残余应力对裂纹扩展的作用。基于累计损伤理论,同时利用SWT应力应变和寿命的关系,对单元损伤量的循环叠加计算,根据损伤量判断单元破坏。该方法能够清楚地反映过载时裂纹扩展的迟滞效应和低载对裂纹扩展的加速影响,并对变幅载荷下疲劳裂纹的扩展进行良好的评估。     

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。     

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。     

板厚对14MnNbq钢焊接件疲劳裂纹扩展速率的影响

为研究厚板的原始焊接板厚及取样位置对疲劳裂纹扩展速率的影响规律,完成了14MnNbq钢5种原始焊接板厚(40 mm、50 mm、60 mm、80 mm和100 mm),共计30个疲劳试件的裂纹扩展试验。运用数理统计方法回归处理试验数据,得到了在给定置信水平下的5组da/dN-ΔK曲线以及Paris公式的拟合值参量,同时还得到了100 mm厚板不同取样部位的da/dN-ΔK曲线。结果表明:随着原始焊接板厚的增加,疲劳裂纹扩展速率也在加大;受取样位置的影响,表面试件比中部试件的疲劳裂纹扩展速率快。     

随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展

船舶等许多工程结构在服役过程中的受载荷历程是一个随机过程.而变幅载荷下的载荷相互作用对疲劳裂纹扩展寿命将产生显著的影响.因此研究随机载荷作用下的裂纹扩展及定量计算对船舶结构的疲劳寿命预测的可靠性是十分重要的.该文提出了一个基于有效应力强度因子,以应力比和裂纹尖端塑性区尺寸为主要参数的随机载荷作用下疲劳寿命预测模型.该模型用于预测几种载荷谱作用下的裂纹扩展试验,结果表明预测结构和实验结果符合得很好.     

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.     

Fatigue crack growth under mixed mode I + III loading

Mixed mode I + III fatigue crack growth is studied numerically and experimentally by using modified CT specimen. Some parameters such as initial angle and initial length of crack, thickness and load ratios can affect the fatigue behaviors. The crack growth path and surface, crack front length, variations of stress intensity factors, twisting of crack surface and fatigue lives were determined by using Franc3d and compared with experimental data. By increasing angle and length of initial crack, mode I effects decrease while mode III effects increase. Mode II of the fracture is almost negligible for the modified CT specimen.     

一种基于累积损伤理论和裂纹尖端弹塑性应力场的裂纹扩展预测方法

文章提出了一种预测疲劳寿命的应力循环叠加和损伤循环叠加的双重叠加方法。该方法依据累积损伤理论,通过分析变幅载荷下裂纹尖端的应力场,采用应力循环叠加的方法反映残余应力的影响;同时利用SWT应力应变和寿命的关系,循环叠加裂尖损伤。该方法能够很好地反映过载时裂纹扩展的迟滞效应,适合变幅载荷下疲劳寿命的评估分析。     

Multi-scale modeling of fatigue crack propagation applied to random sequence of clustered loading

Fatigue crack propagation in marine structures is obviously governed by mechanics of the considerably different four levels of multi-scale problems. Problems of structural response to environmental loads have length scale of several hundred meters, whereas possible detectable size of cracks from initial defects in a weld is of the order of millimeters. Once a fatigue crack initiates, crack tip plasticity is of the order of several grain sizes, while the resulting fatigue crack growth in each load cycle is of the order of nanometers. In our previous work, the first author and their associates have developed the so-called CP-System, which can treat the first two multi-level problems as an integrated system. Furthermore, we have incorporated the third level of mechanics by using the stress intensity range corresponding to the repeated tensile plastic deformation ahead of the crack tip. In the present paper, we shall discuss a more rational integral equation-based formulation in order to integrate the third and fourth levels of micro-mechanics to the first two levels of continuum mechanics.The method is then applied to fatigue crack propagation under the effects of random sequence of clustered loading. As an example of the random sequence of clustered load, we shall use the so-called “storm model”. In the crack propagation simulation, we have to take into account of the plastic wake on the crack surfaces, whose thicknesses are influenced by the material parameters involved in the crack growth model. These parameters are first identified by the fatigue tests under combined constant and random loading using a CT specimen. Then, fatigue crack growth is investigated by numerical simulation and fatigue tests for various random sequences of clustered loading. The experimental and numerical results agree quite well with each other, and fatigue crack propagation is found to be considerably retarded under random sequence loading, so that the conventional equivalent stress approach may provide rather conservative results to the real seaway loading.