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。     

基于累积塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命研究

船体板的总体断裂破坏往往是低周疲劳破坏与累积塑性破坏两种破坏模式耦合作用的结果,故在船体板低周疲劳裂纹扩展寿命评估中,其基于累积塑性应变的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命分析能够更为符合实际地评估船体板的总体断裂承载能力。船体板低周疲劳裂纹扩展寿命由宏观可检测裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命。船体在实际航行中受到多次波浪外载作用而使其进入塑性变形不断累积或不断反复的破坏过程,并最终导致低周疲劳裂纹的萌生及扩展而使结构破坏,其破坏形式分别对应于增量塑性变形破坏（或棘轮效应）或交变塑性变形破坏（或低周疲劳）。局部塑性变形的累积会加剧低周疲劳裂纹不断扩展,因而基于累积塑性破坏研究船体板低周疲劳扩展寿命更为合理。文中以船体板单次循环载荷后塑性应变大小为基础,依据累积递增塑性破坏过程及弹塑性理论,计算经过N次变幅循环载荷后船体板累积塑性应变值,结合循环应力—应变曲线获得相应的稳定的迟滞回线,确定裂纹尖端应力应变曲线及确定相关塑性参量并依据选取的断裂判据判定裂纹扩展。建立循环载荷下基于累积递增塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命的计算模型考虑应力比对此裂纹扩展寿命计算模型的影响。由该方法计算出的疲劳裂纹扩展寿命将对正确预估船舶结构的低周疲劳强度从而提高船舶安全性有重要意义。     

基于累积塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命研究（英文）

船体板的总体断裂破坏往往是低周疲劳破坏与累积塑性破坏两种破坏模式耦合作用的结果,故在船体板低周疲劳裂纹扩展寿命评估中,其基于累积塑性应变的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命分析能够更为符合实际地评估船体板的总体断裂承载能力。船体板低周疲劳裂纹扩展寿命由宏观可检测裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命。船体在实际航行中受到多次波浪外载作用而使其进入塑性变形不断累积或不断反复的破坏过程,并最终导致低周疲劳裂纹的萌生及扩展而使结构破坏,其破坏形式分别对应于增量塑性变形破坏(或棘轮效应)或交变塑性变形破坏(或低周疲劳)。局部塑性变形的累积会加剧低周疲劳裂纹不断扩展,因而基于累积塑性破坏研究船体板低周疲劳扩展寿命更为合理。文中以船体板单次循环载荷后塑性应变大小为基础,依据累积递增塑性破坏过程及弹塑性理论,计算经过N次变幅循环载荷后船体板累积塑性应变值,结合循环应力—应变曲线获得相应的稳定的迟滞回线,确定裂纹尖端应力应变曲线及确定相关塑性参量并依据选取的断裂判据判定裂纹扩展。建立循环载荷下基于累积递增塑性破坏的船体板低周疲劳裂纹扩展寿命的计算模型考虑应力比对此裂纹扩展寿命计算模型的影响。由该方法计算出的疲劳裂纹扩展寿命将对正确预估船舶结构的低周疲劳强度从而提高船舶安全性有重要意义。     

基于裂纹扩展的海洋平台疲劳可靠性分析

文章基于裂纹疲劳基本理论,针对在役导管架平台出现初始裂纹状态下结构承载力进行分析,考虑结构损伤与腐蚀等因素,建立了典型导管架平台整体结构模型和局部子模型,分析了在该工况下平台整体结构的疲劳强度,并确定了平台结构的疲劳关键部位。采用几何应力外插法计算了热点应力,基于疲劳裂纹扩展的疲劳分析方法,计算了疲劳关键节点的疲劳寿命与疲劳可靠度。该方法能够为海洋平台结构的维护和保养提供一定参考。     

基于裂纹扩展理论的船体结构疲劳评估

疲劳破坏是船舶结构的主要破坏形式之一。为了保证船舶结构有足够的疲劳强度,各国船级社、船厂等均建立了船舶结构疲劳强度校核规范作为船舶疲劳评估的指导性文件,尽管这些规范均是建立在S-N曲线方法基础上的,但由于S-N曲线方法存在自身无法克服的缺陷(如忽略材料的初始缺陷等),对同一节点进行计算得到的疲劳寿命大相径庭。该文作者在基于裂纹扩展理论的基础之上,给出了一套详细的船体结构疲劳评估方法,并应用此方法对大型船舶结构典型节点的疲劳寿命进行评估,以期能为完善船舶结构疲劳寿命的评估提供参考。     

基于改进McEvily模型的结构压-压疲劳寿命预测方法

潜水器在下潜过程中其耐压结构大部分区域处于压缩应力状态,所受压力随潜深的改变而改变,将有可能导致耐压球壳发生疲劳破坏,而压-压载荷下的疲劳问题与常规疲劳分析有着很大的不同,因此研究结构的压-压疲劳寿命具有重要意义。本文基于断裂力学理论,采用改进的McEvily裂纹扩展速率模型,预测压缩循环载荷下的深海结构物疲劳寿命。采用有限元方法建立结构模型,研究了裂纹尖端区域有限元单元尺寸的影响,采用多载荷步分析结合节点释放技术计算得到了压缩循环载荷下沿着裂纹扩展平面的残余拉应力和应力强度因子,结合改进的McEvily模型计算得到裂纹扩展寿命曲线。最后,以承受单向循环压缩载荷的双边裂纹板为例,阐述了本文的计算方法,并将计算结果与试验结果进行对比,结果表明本文的压缩疲劳寿命分析方法可行、有效,可为相关承受循环压缩载荷下的结构疲劳寿命评估提供参考。     

海洋钢结构疲劳裂纹扩展预报单一扩展率曲线模型

采用基于疲劳裂纹扩展的疲劳寿命预报方法对海洋钢结构的安全寿命进行评估,首先要解决变幅载荷作用下的裂纹扩展率问题,其次是复杂应力场中的应力强度因子计算问题.文章将裂纹扩展率单一曲线模型结合焊趾表面裂纹应力强度因子的计算方法来探讨复杂载荷作用下海洋钢结构的疲劳寿命预报问题.裂纹扩展率单一曲线模型的思想是将任意载况下的应力强度因子等效到R=0的应力强度因子,并假定超载不影响材料的裂纹扩展率,而是使等效应力强度因子幅减小.使得复杂载荷下的疲劳寿命预报也仅需要对应于R=0时的裂纹扩展率材料常数,从而解决复杂载荷下裂纹扩展率材料常数的确定问题.文中给出了适合于海洋钢结构的裂纹扩展率曲线,焊趾表面裂纹应力强度因子以及残余应力引起的应力强度因子的计算方法.     

大型集装箱船高强度厚钢甲板安全寿命评估方法

疲劳是船舶与海洋工程结构破坏的主要模式之一.高强度钢的应用使得结构的疲劳问题更加突出.对于采用以高强度厚钢板为甲板的大型集装箱船来说,有必要进行高强度厚钢板的焊接缺陷部位安全寿命评估方法研究.以应力范围的长期分布服从两参数Weibull分布的随机载荷为疲劳载荷,裂纹扩展率采用单一曲线模型预报裂纹在任意时刻的尺寸,结合应力强度因子并参考应力计算方法和失效评估图技术提出一套计算集装箱船高强度钢厚钢板安全寿命评估的方法.通过编制计算程序,对某集装箱船甲板进行安全寿命计算.最后,分析疲劳载荷谱对安全寿命的影响.计算结果表明：载荷回复期的长短和Weibull分布的形状参数的取值都会极大影响结构疲劳安全寿命.     

考虑焊接残余应力释放的结构疲劳寿命分析方法研究

焊接残余应力对于焊接结构的疲劳寿命产生很显著的影响,同时循环载荷作用下焊接残余应力会出现释放现象,因此有必要对焊接件疲劳寿命预测方法进行研究.基于改进的McEvily疲劳裂纹扩展速率模型,同时结合课题组研究得到的AH36钢对接焊平板残余应力释放计算公式,提出考虑焊接残余应力释放的结构物疲劳寿命计算方法.随后,以潜艇锥柱耐压壳的疲劳为例,详细阐述了本文提出的疲劳寿命分析方法的计算流程.考虑耐压壳焊接顺序影响,分析了含半椭圆表面裂纹的锥柱耐压壳疲劳寿命.对比文献的试验结果,表明焊接结构疲劳寿命计算公式有较好的预测效果,可以用于评估带表面裂纹焊接件在拉伸循环载荷作用下的疲劳寿命.     

基于扩展有限元的疲劳裂纹扩展分析

针对结构板裂纹扩展问题,基于Abaqus的扩展有限元法,使用3种方法计算单边裂纹和中心裂纹的静态应力强度因子,发现相互作用积分法结果更加精确,误差在2%以内。采用相互作用积分法计算裂纹扩展过程的动态应力强度因子,误差在3%以内,结合低周疲劳分析,对孔边裂纹的剩余寿命进行预测,与试验结果相比,误差为3.8%,并且疲劳裂纹扩展稳定阶段的试验结果与扩展有限元分析基本一致,证明了此方法的准确性和可行性。因此,该方法为疲劳裂纹扩展过程中动态应力强度因子计算和剩余寿命预测提供可靠的参考依据。     

超大型浮体模块柔性连接功能仿真模型试验研究

精确评估模块柔性连接性能对连接器和超大型浮体的结构安全性具有重要意义,而模型试验是获取超大型浮体模块柔性连接性能的必要手段。文章以横向浮筒式的浅吃水超大型浮体为研究对象,根据连接器动响应计算结果,设计了柔性连接器模型;通过不同幅值和载荷组合的连接器静态拉伸和压缩试验,研究了超大型浮体连接器的刚度特性,探讨了组合载荷对连接器刚度的影响;通过不同幅值和周期的连接器纵向动态载荷试验,研究了超大型浮体连接器在动态载荷作用下的结构响应,验证了超大型浮体连接器结构的安全性和适用性。试验结果表明在静态和动态载荷作用下文中设计的柔性连接器连接可靠、结构安全,连接器载荷、位移和应力测量结果可为验证连接器结构设计和计算方法提供依据。     

超大型浮体柔性夹层连接器力学性能研究

考虑连接器作为超大型浮体最为薄弱的构件之一,研究带有柔性夹层连接器的力学特性,旨在明确柔性夹层对连接器的刚度和应力变化的影响.通过建立钢与柔性夹层的本构模型,采用接触力学分析手段,对连接器进行力学分析,分别获得超弹性橡胶和尼龙作为柔性夹层时连接器的力学特性和刚度变化曲线,并获得不同厚度,初始弹性模量和泊松比对这一结果的影响程度.分析发现,超弹性橡胶与尼龙对于连接器的应力大小具有显著影响,采用超弹性橡胶和尼龙夹层时,连接器的应力水平与应力分布也明显不同,同时材料参数的变化对于连接器的刚度变化影响较大.可根据实际需要,对柔性夹层材料进行参数优化,既得到合理的连接器刚度,又将连接器应力水平控制在合理范围内.     

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.     

Hydroelasticity based fatigue assessment of the connector for a ribbon bridge subjected to a moving load

In this paper, the prediction of the hydroelastic response of the floating bridge and the fatigue behavior of the connectors is presented. And based on the hydroelastic response analysis of the ribbon bridge, the dynamic alternating load of the connector can be obtained, in that the fatigue behavior analysis of the connector simulated by the solid elements can be conducted by employing the local stress–strain approach. It is revealed that the sequence of the dynamic loads acting on the connectors, the value of various fatigue parameters and the ultimate tensile strength should be sufficiently considered, especially the passing speed of a moving load, so that it can significantly reduce the fatigue damage of the connectors.     

A computational approach for fatigue crack propagation in ship structures under random sequence of clustered loading

The authors have developed a simulation program, CP-System, for multiple cracks propagating in a three-dimensional stiffened panel structure, where through-the-thickness crack propagation is formulated as a two-dimensional in-plane problem, and the crack propagation behavior is simulated by step-by-step finite element analyses. In order to evaluate the fatigue lives of marine structures accurately, it is necessary to take into account the load histories induced by sea waves, which may be composed of a random sequence of certain clustered loads with variable stress range. In the proposed crack growth model, the crack opening and closure behavior is simulated by using the modified strip yielding model, and the effective tensile plastic stress intensity range, ΔK _RP, is calculated by considering the contact of plastic wake along the crack surfaces. The adequacy of the proposed crack growth model is examined by comparison with fatigue tests under non-constant-amplitude loading. The usefulness of the developed method is demonstrated for a ship structural detail under certain simulated load sequences. It is shown that the fatigue crack growth of a ship structure is significantly retarded due to the load interaction effects, so that the conventional method for fatigue life assessment may predict a relatively conservative fatigue life of a structure.     

Reliability analysis of fatigue life of the connectors—the US Mobile Offshore Base

Reliability-based design analysis of the fatigue life of the connectors of the five sections of the 2-km long US Mobile Offshore Base (MOB) is demonstrated. A performance function is defined in terms of the nominal stress range, inherent defect or starter crack, and appropriate material properties, which are considered random variables. The reliability analysis is performed for a sea state 1–8 (SS1–8) random loading having a Gumbel distribution. Where possible, uncertainty data for random variables are obtained from published data relating to the fatigue of metal and metal alloys. Otherwise, judgmental coefficients of variation are prescribed for purposes of demonstration. The fatigue life is assumed to follow the Weibull distribution. The reliability function is defined in terms of the mean life and the total uncertainty in the fatigue life. Preliminary reliability calculations suggest that current design stress levels be reduced to meet the current fatigue life target reliability level for the MOB connectors. An illustrative design is demonstrated and the metal selected for a fatigue design of the connectors for 10 million cycles with a reliability of 0.99 at a nominal stress of 203 MPa is HY-130 steel.     

耐压船体结构典型接点疲劳寿命评估

潜艇在潜浮过程中,由于静水外压引起的工作应力与焊接残余应力叠加,形成拉压循环应力,导致耐压船体的局部结构可能出现低周疲劳裂纹.一般情况下,高强度钢在抗拉强度提高的同时往往伴随着材料塑性储备和断裂韧性的下降,因此分析高强度钢潜艇结构的低周疲劳寿命非常重要.本文基于断裂力学和Paris公式建立了潜艇耐压结构低周疲劳寿命的工程估算方法,根据裂纹无损检测的概率统计和含裂纹圆柱壳极限应力分析,给出了初始裂纹和裂纹临界状态的建议值.应用本文的简化方法分析了某潜艇结构和锥柱结合壳模型的低周疲劳寿命,锥柱结合壳模型的数值算例表明本文的计算结果与试验测试结果相吻合.     

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。     

A unified fatigue life prediction method for marine structures

Marine structures such as ships and offshore platforms are mostly designed with damage tolerance and this design philosophy requires accurate prediction of fatigue crack propagation process. Now more and more people have realized that only a fatigue life prediction method based on fatigue crack propagation (FCP) theory has the potential to satisfy the accuracy requirement and to explain various fatigue phenomena observed. In the past several years, the authors’ group has made some efforts in developing a unified fatigue life prediction (UFLP) method for marine structures. The key issue for this development is to establish a “correct” crack growth rate relation. In this paper the improvement of the crack growth rate model is dealt with first. A new crack growth rate model based on the concept of partial crack closure is presented. The capability of the model is demonstrated. Secondly, studies on the engineering approaches to determine the parameters in the new crack growth rate model are carried out and validated by comparing with the experimental results on a wide range of alloys. Thirdly, the preliminary studies on some significant problems such as load sequence effect are presented. Finally, further studies for the application of the UFLP method to the fatigue strength assessment of marine structures are pointed out.