双向应力场中表面裂纹应力强度因子的权函数法

半椭圆表面裂纹是船舶等焊接结构中常见的损伤形式,计算裂纹尖端应力强度因子是结构损伤容限设计的前提,权函数法是求解复杂应力场中应力强度因子的有效手段之一。本文基于一种集中力载荷权函数统一形式,通过三维有限元建模计算了裂纹半长比a/c=0.05~1.0、裂纹深度比a/T=0.01~0.8的表面裂纹应力强度因子,并将其作为参考解,得到一组形状适用范围更广的有限厚度平板表面裂纹最深点和表面点的二维权函数。权函数的准确性通过在裂纹面上施加最高六阶的双向变化应力载荷进行验证,权函数法结果与有限元法相比求解误差在10%以内。文中所提出的权函数为复杂焊接结构表面裂纹扩展分析奠定了基础。     

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。     

焊趾表面裂纹应力强度因子简化计算的比较研究

对接、T型接头与十字接头是船舶与海洋结构的典型结构形式,其大部分疲劳失效是由于焊趾引起的.各种表面裂纹的应力强度因子计算是船舶与海洋结构基于断裂力学安全评定和疲劳寿命预测的基础.Bowness等人提出了T型接头焊趾表面裂纹应力强度因子计算式,作者对其复杂的计算式进行了简化.BS7910针对对接、T型接头与十字接头提出了两套焊趾应力强度因子表达式,一是针对二维表面裂纹提出的,一是针对三维表面裂纹提出的.本文对作者给出的简化表达式以及BS7910的两套表达式进行了比较.结果表明作者给出的简化表达式不仅可以用来计算T型接头的焊趾表面裂纹应力强度因子,而且可以用来计算对接与十字接头焊趾表面裂纹的应力强度因子.同时发现在a/T＜0.05处三者的差别比较大,因此用有限元法进行了验证,结果证明作者给出的简化表达式比其他表达式更加合理.     

集装箱船典型疲劳评估节点应力强度因子计算

在基于疲劳裂纹扩展理论的疲劳评估方法中需要确定疲劳热点,并准确求解热点处裂纹应力强度因子。论文将CCS在规范中规定的疲劳评估节点分为四类:1典型对接接头和T型接头焊趾处,2趾端底板,3趾端肘板,4垂直三构件相交角点。分别使用三维有限元技术求解第一类、第二类、第三类节点的应力强度因子修正系数并和BS7910公式对比。结果表明:第一类节点与BS7910公式吻合良好;第二类节点裂纹扩展在趾端范围内时应力强度因子修正系数较BS7910公式大,超过趾端范围内时,应力强度因子修正系数发生突变快速下降并逐渐趋近于1;第三类节点应力强度因子修正系数在整个范围内较BS7910公式大。第二类构件、第三类构件应力强度因子修正系数和BS7910公式误差都很大。为此,分别对第二、三类节点提出了各自的修正公式,它们和有限元计算结果吻合良好。     

弯扭组合载荷下圆轴表面裂纹应力强度因子计算

传动轴往往承受弯扭组合载荷的作用,准确计算弯扭组合载荷下轴上半椭圆表面裂纹的应力强度因子对于传动轴的疲劳寿命预报来说十分重要。本文讨论了扭转载荷下裂纹前缘各点的Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子计算和网格质量之间的关系,对扭转载荷下Ⅱ、Ⅲ型应力强度因子沿裂缝前缘的分布情况进行研究;并对弯扭组合载荷下轴上半椭圆表面裂纹的应力强度因子进行分析。结果显示在扭转载荷下裂纹最深点仅有Ⅲ型应力强度因子存在,沿裂纹前缘其他各点不仅存在Ⅲ型应力强度因子,还存在着不可忽视的Ⅱ型应力强度因子。弯扭组合载荷下的裂纹是Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合裂纹,且弯扭组合载荷下的表面裂纹各型应力强度因子可以视作分别施加弯曲和扭转载荷下同型应力强度因子的叠加。所得结论可为传动轴类构件疲劳寿命预报提供参考。     

T型接头焊趾表面裂纹应力强度因子的简化计算方法

T型接头是船舶与海洋结构物的典型结构形式之一,其焊趾处常常是疲劳热点区域。T型接头焊趾表面裂纹的应力强度因子是船舶与海洋结构的、基于断裂力学安全评定和疲劳寿命预测的基础。本文对T型接头表面裂纹应力强度因子的计算方法,尤其是Bow ness等人提出的T型接头焊趾表面裂纹应力强度因子的计算公式进行了分析,在此基础上导出了形式简单,物理意义明确的T型接头焊趾表面裂纹应力强度因子的简化计算公式,并和相关的应力强度因子的计算结果进行了比较,证明了本文简化方法的可行性。     

三维裂纹前缘应力强度因子数值计算方法

本文建立了采用20节点奇异元1/4节点位移法求解三维裂纹整个前缘3种类型应力强度因子的数值计算方法,给出了裂纹网格划分方法以及网格划分参数取值范围;基于平板表面裂纹研究了网格划分参数对应力强度因子计算结果的影响,并与Newman-Raju解析公式计算结果对比验证了数值方法的准确性,二者最大误差小于2%;采用数值计算方法计算了裂纹扩展标准三点弯曲样扩展过程中单边穿透裂纹前缘应力强度因子,并与解析公式计算结果进行对比分析,二者最大误差为4.7%,且随着裂纹扩展,误差越来越小。结果表明,提出的数值方法可用于含裂纹结构整个裂纹前缘不同类型应力强度因子求解中。     

基于最大裂纹张口位移计算应力强度因子的方法研究

文章提出了基于最大裂纹张口位移计算I型应力强度因子的新方法,该方法适用于复合载荷(均匀拉伸和纯弯曲载荷组合)作用下的具有半椭圆表面裂纹的有限平板模型。首先,理论推导了具有埋藏裂纹的无限大平板受均匀拉伸载荷作用时应力强度因子与裂纹最大张口位移的对应关系,再应用有限元数值模拟技术,考虑了表面效应、模型尺寸效应及载荷形式的影响,然后基于有限元模拟结果,根据多元多次最小二乘法原理拟合出对应修正系数表达式,最终建立了复合载荷作用下有限平板裂纹尖端应力强度因子与最大张口位移的函数关系,实现了由容易获得的最大裂纹张口位移确定应力强度因子的方法。该方法避免了对裂纹尖端的应力场、位移场的分析,为实际应用中应力强度因子的获得提供了新的方法。     

基于裂纹尖端应力比值的FGM板应力强度因子简便预测方法

为了弥补含裂纹功能梯度材料(FGM)结构强度预测方法的不足,文章基于有限元分析方法,将复杂的FGM板应力强度因子求解问题转化为简单的FGM板和均匀材料板之间裂纹尖端应力比值计算问题,仅通过使用均匀材料板和FGM板裂纹尖端应力比值、均匀材料板应力强度因子经验公式即可得到任意FGM板应力强度因子值,从而提出了一种基于裂纹尖端应力比值的FGM板应力强度因子简便预测方法。该方法避免了复杂的矩阵运算以及数值积分,仅需建立二维有限元模型即可在保证精确度的基础上快速得到FGM板应力强度因子预测值。通过多组算例对比分析,证明该方法预测精度高,比传统计算方法更为简便,便于工程应用。     

不同的裂纹尺寸对椭圆形裂纹应力强度因子影响的研究

针对平板椭圆形裂纹,提出了椭圆裂纹求解应力强度因子的解析解法,该方法是建立在弹性断裂理论及复变函数理论基础上的。文中针对椭圆裂纹,在具有不同的外荷载,以及不同的椭圆裂纹形状情况下,对应力强度因子进行较为全面的仿真分析。得到了应力强度因子和椭圆裂纹长短轴及所处位置,以及外荷载之间的关系变化的曲线。利用所建立的计算模型,可以非常迅速地求得不同几何参数情况下椭圆裂纹在复杂应力场中沿裂纹周边不同位置的应力强度因子。并对三种不同椭圆裂纹形状情况下的应力强度因子进行了分析和比较。     

考虑焊接效应的T型对接接头裂缝中的应力集中因子异常现象的数值研究（英文）

Industry design standards such as BS 7910 deployed some empirical formulas for the prediction of stress intensity factor(SIF) based on simulation results from traditional finite element method(FEM).However,such FEM simulation occasionally failed to convince people due to the large discrepancies compared with engineering practice.As a consequence,inaccuracy predictions via such formulas in engineering standards inevitably occur,which will compromise the safety of structures.In our previous research work,an abnormal phenomenon of SIF in a cracked T-butt joint accounting for welding effect has been observed.Compared with BS 7910,the calculation results of SIF at the surface points of welded specimens cannot be well predicted,with a large discrepancy appearing.In order to explore such problem with an abnormal increase at the surface points of cracked welded specimens,a numerical investigation in terms of SIF among BS 7910,XFEM,and FEM is performed in this paper.Numerical models on both a simple cracked plate without welding effect and a cracked T-butt joint with welding effect are developed through ABAQUS.Parametric studies in terms of the effects of varied crack depth to thickness ratio(a/T) and the effects of crack depth to crack half-length ratio(a/c) are carried out.Empirical solutions from BS 7910 are used for comparison.It is found that the XFEM can provide predictions of SIF at both the crack deepest point and crack surface point of a simple cracked plate as accurate as FEM.For a T-butt joint with a transverse stiffener,a large discrepancy in terms of the weld magnification factors(Mk) occurs at the crack surface point compared with empirical predictions.An exceptional increase of von Mises stress gradient in regions close to the weld-toe is found through the simulation of FEM,whereas a constant stress gradient is obtained through XFEM.The comparison results indicate an inappropriate prediction of SIF by the utilization of the empirical formulas in BS 7910.A more reasonable prediction of the SIF at the surface point of a crack is obtained by the XFEM.Therefore,further updating of the empirical solutions in BS7910 for SIF accounting for welding effect is recommended.     

深海载人潜水器球形耐压壳上多裂纹的相互作用及其影响（英文）

This study investigates the interaction and influence of surface cracks on the spherical pressure hull of a deep-sea manned submersible.The finite element model of the spherical hull is established,and a semi-elliptical surface crack is inserted in the welding toe of the spherical hull as the main crack.Considering the combined effect of external uniform pressure and welding residual stress at the weld toe,the stress intensity factor(SIF) is obtained based on the M-integral method.Inserting disturbing cracks at different positions on the spherical hull surface,the interaction and influence between multi-cracks are revealed by numerical calculation.The results show that the existence of the disturbing crack has a great influence on the stress intensity factor of the main crack,and the influence is different with the different location of disturbing crack.The study of the interaction of multiple cracks under different interference factors and the influence of disturbing cracks on the main crack can provide some reference for future engineering applications.     

焊趾处椭圆表面裂纹的权函数与残余应力强度因子的权函数法

利用三维有限元计算了焊趾处半椭圆表面裂纹的应力强度因子。利用统一的权函数形式,结合得到裂纹半长比a/c=0.2;0.4;0.6;0.8,a/t=0.1~0.8的有限元数据,得到了适用于T型接头焊趾处半椭圆表面裂纹最深点和表面点的权函数。权函数的准确性,用有限元在裂纹面施加高阶载荷进行了验证,对于表面点和最深点,半长比a/c=0.2~0.8,a/t=0.1~0.8,权函数与有限元结果误差在8%以下。基于得到的权函数,计算了T型接头焊趾处半椭圆表面裂纹的残余应力强度因子Kres,并与有限元计算结果进行对比,对比误差在10%以下,表明新的权函数能很好地预测T型接头焊趾处的残余应力强度因子。     

变幅载荷作用下焊接接头疲劳寿命预测方法

船舶与海洋结构物在其服役过程中受到波浪等载荷的交变作用而引起结构的疲劳损伤.检测结果表明船舶及海洋结构的疲劳热点部位大多数是在构件相互连接的焊缝焊趾处.因此,研究典型接头表面裂纹应力强度因子统一计算方法以及变幅载荷作用下表面裂纹扩展规律对船舶与海洋结构物的寿命预测是十分重要的.本文讨论了裂纹闭合及开口比的计算,在Newman有效应力强度因子计算方法的基础上,提出了考虑因素更全面的有效应力强度因子幅计算式以及变幅载荷作用下船舶与海洋结构物典型焊接接头疲劳裂纹扩展寿命预测模型.     

带径向边裂纹圆盘的权函数和旋转应力强度因子

采用裂纹在均布压力作用下的应力强度因子为参考载荷,通过Petroski和Achenbach的裂纹面张开位移公式推导出了内壁带径向边裂纹的圆盘的权函数,进而得到了计算旋转圆盘裂纹尖端处的应力强度因子公式.该公式可计算旋转圆盘在不同裂纹深度、转速、材料和尺寸情况下的应力强度因子.与有关文献比较,表明本文的公式具有良好的精度.同时文中还研究了旋转圆盘应力强度因子随裂纹深度和圆盘直径之间的变化规律,方便了工程应用.     

海洋平台中KK管节点表面裂纹应力强度因子的有限元计算方法

海洋平台中的KK管节点由于长期承受循环载荷而容易在焊缝处产生疲劳表面裂纹.对包含表面裂纹的KK节点的残余寿命的评估依赖于对表面裂纹应力强度因子的准确估算.本文首先提出了KK节点中表面裂纹的有限元网格产生方法,然后采用线弹性断裂力学理论,通过裂纹前缘的位移外推插值法分析了KK节点在轴向力作用下沿着表面裂纹的应力强度因子的分布情况.最后,通过对22个KK节点的模型分析,研究了节点的几何参数和裂纹形状参数对应力强度因子的影响情况.     

不同位置裂纹间的互相作用及其影响规律的有限元分析

基于有限元软件France-2D,利用J积分对含有多个裂纹的板进行应力强度因子计算。通过定义基础裂纹、干扰裂纹以及干扰参数,给出了随干扰参数改变,干扰裂纹对基础裂纹应力强度因子的影响曲线,并分析了它们的规律,其结果可为工程应用参考。