弯曲载荷下复合材料夹芯“L”型接头强度和疲劳试验研究（英文）

文章研究了复合材料夹芯"L"型接头在弯曲载荷下的静强度和疲劳问题。通过静加载试验,得到该接头的极限承载能力和破坏模式。在此基础上,对不同载荷水平下的试件进行疲劳试验。基于试验数据建立S-N曲线,比较了半对数线性拟合和"S"型函数拟合结果。结果表明,"S"型曲线的预测结果好于半对数线性拟合。同时,分析了疲劳载荷下的接头破坏模式,包括夹芯和面板之间脱粘、面板分层和纤维断裂。根据试验现象划分了表明裂纹扩展的3个阶段。建立了刚度退化模型表现不同载荷水平下刚度退化规律。     

船用夹芯复合材料典型节点疲劳性能试验研究

针对船用L型复合材料典型节点的损伤失效问题,进行了极限强度和疲劳性能的试验研究。分析不同载荷下夹芯板连接节点的疲劳寿命及破坏模式,揭示接头处裂缝的产生和发展的过程。试验结果表明:夹芯复合材料节点疲劳寿命和刚度随着载荷水平的增加呈下降趋势,疲劳断口处呈现蒙皮与泡沫夹芯脱粘以及蒙皮分层和纤维断裂的现象,且节点疲劳寿命具有较大的离散性。     

夹芯复合材料/钢板胶接接头力学特性

对4种夹芯复合材料/钢板连接接头进行四点弯曲试验和数值研究。试验获得了接头的失效载荷、载荷-位移曲线以及失效模式,通过对比发现接头的承载能力与接头形式有很大关系。采用有限元方法获取了接头载荷-位移曲线以及应力分布,并研究了接头各设计参数对接头弯曲刚度的影响。     

船用铝合金板架结构典型节点的疲劳试验研究

本文针对船用铝合金板架结构典型节点的疲劳性能开展了试验研究。首先采用X射线对焊缝部位进行了拍照,获得了焊缝处的微观缺陷特征;然后进行板架的极限承载能力试验,得到板架的极限载荷水平;接着采用不同载荷水平进行反复载荷作用下的疲劳试验,获得了不同载荷水平下典型节点的疲劳寿命和破坏模式。试验结果表明:船用铝合金板架结构典型节点的疲劳寿命与测点应力呈双对数线性关系,即随着对数测点应力的增大,对数疲劳寿命呈线性下降趋势;而焊缝缺陷形式直接关系到节点的疲劳破坏模式与疲劳寿命。研究结果可为船用铝合金板架结构的承载能力评估与焊接工艺设计提供参考。     

初应力状态下夹芯复合材料曲梁面板的局部振动的理论分析

在船舶领域,以复合材料层合面板及泡沫芯材组成的夹芯复合材料板梁结构已大量应用在游艇及复合材料高速艇上.文章研究了受初始静载荷作用下夹芯复合材料曲梁的面板的局部自由振动问题,并给出一种相应的理论分析方法.文中通过将芯材简化为Winkler弹性地基,将面板简化为一复合材料曲梁,从而使所研究问题蜕化为有初始静载荷作用下弹性地基上任意曲梁的固有振动问题.在局部振动位移是基于初始静载平衡位置并与初始位移相比是小量的假定的基础上,根据能量原理推导出面板的运动方程.研究的结果表明,该面板的局部振动不只取决于面板的弯曲刚度和长度,以及芯材的弹性刚度,也在很大程度上取决于梁的曲率及面板所受到的初始轴向压力.     

空爆载荷下U型夹层板抗爆性能数值仿真研究

力学性能优越的夹层板结构在飞机、高速列车等交通运输领域得到广泛应用.为研究U型夹层板空爆载荷下的损伤特性,利用有限元软件MSC.Dytran分析U型夹层板空爆载荷下的损伤变形模式、耦合力、结构位移、速度、加速度、吸能,并与加筋板架对比;应用正交试验设计方法分析结构参数对抗爆性能的影响程度及较优的尺寸组合.分析表明:冲击载荷下U型夹层板上下面板的变形模式为膜拉伸,产生波浪式变形;夹芯层易于压皱变形,减少了对上面板冲击载荷的传递,同时夹芯层吸能效率较高,使得上面板的塑性变形显著减小;夹层板上下面板位移、速度、加速度、吸能均小于加筋板,表现出优良的抗爆性能.结构参数对夹层板抗爆性能影响程度的主次顺序为:夹芯角度、上面板厚度、夹芯壁厚度、下面板厚度;经验证,优化尺寸后的夹层板抗爆性能显著提高.     

中高速弹体侵彻下泡沫铝夹芯结构抗侵彻性能实验研究

为研究泡沫铝夹芯结构各组成部分在中、高速弹体侵彻下的抗侵彻性能及破坏机理,分别开展泡沫铝芯材(I)、前面板与芯材(II)、芯材与后面板(III)以及泡沫铝夹芯结构(IV)4种靶板在中、高速弹体侵彻下的弹道冲击试验.分析夹芯结构的破坏模式、侵彻过程和抗弹性能.结果表明:在中、高速弹体侵彻下,泡沫铝芯材发生了胞壁的绝热剪切和撕裂破坏,存在前面板的泡沫铝芯材还发生了胞壁压实坍塌;前面板发生绝热剪切破坏,弹速较低时,弹孔周围将产生明显的碟形弯曲变形,板厚较大、弹速较高时弹孔边缘存在开坑唇边;后面板发生了局部碟形弯曲-贯穿破坏,板厚较小时,后面板还产生了花瓣开裂.泡沫铝芯材吸能较小,泡沫铝和面板组成的夹芯结构吸能明显提高.面板的存在提高了靶板的抗弹性能,前面板对靶板的抗弹性能影响大于后面板的影响.同一种形式的靶板在高速弹体侵彻下的抗弹性能明显优于中速弹体侵彻下的抗弹性能.     

船用蜂窝金属夹芯板重复冲击实验研究

蜂窝金属夹芯结构具有高比强度、高比刚度和高能量吸收性能,在船舶与海洋工程结构轻量化与碰撞冲击防护领域具有广泛的潜在应用价值.本文采用INSTRON CEAST 9350落锤冲击试验机进行了船用蜂窝金属夹芯板重复冲击实验,得到了蜂窝金属夹芯板结构塑性变形累积过程以及重复冲击载荷-位移曲线.研究结果表明:在重复冲击载荷作用下,蜂窝金属夹芯板结构上下面板弯曲变形逐渐增大,蜂窝芯层薄壁结构逐渐达到密实化;上面板主要表现为局部凹陷与整体弯曲的耦合变形模态,下面板变形模态经历了从整体弯曲到整体弯曲与局部凹陷耦合模式的转变过程;重复冲击能量及上下面板厚度分配对蜂窝金属夹芯板结构重复冲击动态变形累积及能量吸收性能具有显著影响.     

夹芯结构的疲劳裂纹损伤扩展研究

本文以夹芯复合材料板的疲劳试验为基础,结合裂纹探测技术对疲劳裂纹扩展及累积损伤过程进行了检测,实现了全寿期内裂纹发生、扩展直至最终破坏的整个疲劳累积失效过程的追踪。基于累积损伤追踪过程的数据规律,提出了适用于夹芯复合材料结构疲劳渐变累积损伤过程的材料性能渐降模型,建立了以剩余刚度为表征参量的复合材料结构的疲劳累积损伤状态量D的失效准则,最后推导了夹芯复合材料板在面内弯曲受载路径下,结构疲劳寿命的预测力学模型。     

六层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的冲击实验

为研究多层金字塔点阵夹芯板结构在水下近距爆炸载荷下的抗爆性能,加工制作了六层金字塔点阵夹芯板结构模型,通过水下爆炸实验,揭示了多层金字塔点阵夹芯板结构的变形模式,并对模型结构进行数值仿真,分析了夹芯板结构的吸能情况。上面板呈整体下沉变形模式;金字塔点阵夹芯结构存在动态屈曲变形模式;屈曲芯层之间的夹层板呈波浪褶皱变形;下面板呈平台变形模式,靠弯曲和拉伸变形吸能。实验结果表明:夹芯结构的第1层和第6层破坏较为严重,同时由于夹芯层的吸能作用,对下面板起到了一定的缓冲防护作用。     

HTS-A钢对接接头的双轴疲劳试验研究

开展了HTS-A钢对接焊接试件的双轴疲劳试验.通过一组试件在纵向受弯和垂向受压循环载荷作用下的试验研究,得到了不同双轴载荷比情况下的试件断口形式及疲劳寿命.根据试验过程中记录的裂纹扩展数据,回归了不同载荷比情况下的Paris公式,从而推算裂纹扩展寿命.进而通过总寿命减去裂纹扩展寿命得到裂纹的萌生寿命.结果表明,垂向循环压力载荷缩短了试件的疲劳寿命,且对萌生寿命的影响大于对扩展寿命的影响.     

船舶圆弧过渡肘板节点的屈曲破坏研究

船体构件腹板在连接端部逐渐升高形成圆弧过渡肘板节点,较大的腹板尺寸导致其受弯时易出现屈曲破坏,从而影响船体结构的安全性。以典型圆弧过渡肘板连接的横梁-肋骨节点结构为研究对象,采用极限强度试验与非线性有限元模拟方法,研究肘板节点受弯时的破坏模式、极限载荷以及屈曲过程,讨论肘板臂长、圆弧半径、面板厚度对节点结构屈曲破坏的影响。结果显示:考虑初始缺陷的非线性有限元模拟结果与试验结果一致;根据肘板尺寸的不同,屈曲破坏的位置包括靠近肋骨的横梁腹板区域以及肘板与横梁过渡圆弧处的腹板区域;随着肘板臂长的增加,不同圆弧半径时节点的极限载荷均为先增大后趋于不变;随着圆弧半径的增加,肘板臂长较小的节点极限载荷缓慢上升,肘板臂长较大的节点极限载荷则近似呈线性增长趋势;面板厚度对极限载荷的影响较小,随着面板厚度的增加,极限载荷先缓慢增加后趋于不变。     

Corrosion fatigue load frequency sensitivity analysis

This paper presents experimental assessment of crack growth rates of S355J2+N steel in a corrosion fatigue environment similar to what is experienced on offshore wind farm monopile structures under various cyclic load frequencies in order to assess the effect of cyclic frequency of the applied loading within a frequency range pertinent to the structure. Fatigue crack propagation behaviour in this test programme is evaluated through fatigue tests on six compact tension test specimens in air and in laboratory simulated seawater under free corrosion condition. Fatigue crack lengths were monitored by back face strain (BFS), DCPD and ACPD. A regression model was derived through the BFS method to express strain values as a function of crack length to width ratio. The effectiveness of BFS method is particularly demonstrated in the simulated marine environment. Within the range of test frequencies, crack growth rates in simulated seawater when compared to the equivalent air test revealed environmental reduction factors of 2 and 4 at lower and higher values of stress intensity factors respectively. Significant difference in the results of the seawater test frequencies is discussed.     

船体纵骨典型节点疲劳裂纹扩展寿命评估

基于有限元软件ABAQUS,结合虚拟裂纹闭合法、裂纹扩展判据及子结构技术,应用脚本语言Python开发出模拟疲劳裂纹扩展的程序(FCG-System)。对含初始裂纹的油船纵骨典型节点在侧面压力作用下进行疲劳裂纹扩展数值模拟,并探讨了软趾、背肘板及防倾肘板对疲劳裂纹扩展路径和寿命的影响。结果表明,增设软趾、背肘板或防倾肘板都会使裂纹扩展路径曲率增大,且软趾、防倾肘板可使裂纹扩展寿命增大,背肘板可使裂纹扩展寿命减小。     

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。     

圆钢管混凝土柱低周反复加载试验研究

为了研究钢管混凝土柱在低周反复荷载作用下组合材料横截面刚度对其性能的影响,以果园港二期工程上的钢管混凝土柱为原型,对3根钢管混凝土柱进行低周反复加载试验。通过控制试件钢管厚度进行物理模型试验,研究钢管厚度对钢管混凝土柱耗能性能、承载性能、强度退化、刚度退化、延性和变形能力的影响。试验结果表明:随着试件钢管厚度的增加,试件的能量耗散系数与等效黏滞阻尼系数均随之减小,试件的耗能能力随之变弱;钢管厚度越小,钢管混凝土柱试件的耗能性能越好。钢管越厚,对核心混凝土的约束作用就越强,强度退化就越弱,试件塑性变形能力就越好。钢管越厚,外包钢管对核心混凝土约束作用就越强,水平承载能力越高。     

Cyclic behavior and strain energy-based fatigue damage analysis of mooring chains high strength steel

This study investigates the low-cycle fatigue behavior of mooring chains high-strength steel grade R4 under different strain amplitudes and strain ratios at room temperature. A fatigue test program has been carried out on small low cycle fatigue specimens cut from large mooring chains. The experimental results characterize the cyclic stress-strain relationship, the mean stress relaxation behavior, and the cyclic plasticity parameters of the material. Strain energy density is correlated with fatigue life through a simple power-law expression and very well represented by Basquin-Coffin-Mansion relationship. Further, a non-linear elastic-plastic material model is calibrated to the experimental stress-strain curves and used for the estimation of energy dissipation in the specimens under applied cyclic loads. The predicted fatigue life using the calibrated material parameters demonstrates a close agreement with the experimental fatigue life. Numerical simulations are carried out to analyze local plastic straining and assess crack initiation at the pit site of corroded mooring chains considering the multiaxial stress state. An energy-based approach is employed to estimate the number of cycles needed for a crack to initiate from an existing corrosion pit.     

基于累积递增塑性变形的船体裂纹板断裂韧性研究

裂纹尖端张开位移（CTOD）是评估结构材料韧性以及分析低周疲劳破坏引起的裂纹扩展的重要参量。文章结合Dugdale模型,以裂纹尖端累积塑性应变为控制参量,提出了一个循环载荷下含裂纹船体板的CTOD计算模型;利用有限元法模拟了裂纹尖端累积塑性应变、平均应力、裂纹长度等相关因素影响;结合最小二乘法拟合出了基于累积塑性应变、平均应力比以及裂纹长度的两阶多项式。文中基于累积塑性应变的CTOD计算模型为正确评估循环载荷下船体板的累积塑性破坏提供了一种新途径。     

压力容器接管区应变分布模拟试样(ECT)的低周疲劳裂纹扩展

设计了一种含局部减薄半椭圆缺口的紧凑拉伸试样(ECT),以模拟压力容器接管区结构,并对16MnR钢的ECT试样进行了不同应力比的恒幅低周疲劳裂纹扩展试验.结果表明:ECT试样具有类似压力容器接管区的高应变分布场;低周疲劳裂纹扩展速率与由线积分定义计算的循环J积分,△J在双对数坐标中呈良好线性相关,且回归的材料参数与相同材质的高周疲劳试验获得的Paris常数基本一致.     

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.