低温下HTS-A钢疲劳裂纹扩展速率预报方法研究

针对低温下船用HTS-A钢的疲劳裂纹扩展行为,本文采用25 mm厚HTS-A钢CT试样为研究对象,开展常温及不同低温环境下疲劳裂纹扩展试验。在试验研究的基础上,提出包含温度项的改进McEvily公式的低温疲劳裂纹扩展预报方法。结果表明：随着温度的降低,HTS-A钢的疲劳裂纹扩展速率逐渐降低。在-60℃时,HTS-A钢的低温疲劳裂纹扩展速率没有出现低温脆断,试验结果可为船用HTS-A钢低温疲劳设计提供数据参考。同时,分别采用本文HTS-A钢低温试验数据和文献中的钛合金低温试验数据验证低温疲劳裂纹扩展速率预报方法的合理性及正确性,该方法可用于预报不同低温环境下金属疲劳裂纹扩展速率。     

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。     

球扁钢疲劳裂纹扩展的实验及数值预报方法

球扁钢被广泛用于船舶和桥梁等钢结构,掌握其疲劳裂纹扩展规律对准确预报结构疲劳寿命有着重要的意义。该文基于表面裂纹名义开口位移(NCOD)的测量数据,对全尺寸船用球扁钢三维疲劳裂纹形状进行了预报;并利用二维Paris公式,采用有限元数值分析方法,对裂纹扩展过程进行了预报;最后通过船舶节点的疲劳试验,验证了该疲劳裂纹预报方法的可行性。文中提出的疲劳裂纹扩展预报方法可为球扁钢的失效判据提供参考依据。     

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。     

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。     

钛合金疲劳小裂纹扩展行为预报方法研究

针对小裂纹扩展阶段裂纹尖端塑性区域尺寸相对于小裂纹长度是不可忽略的问题,在考虑小裂纹效应裂纹扩展速率修正模型基础上,对该模型中裂纹尺寸进行修正,即裂纹长度等于真实裂纹长度加上平面应变状态下裂纹尖端塑性区域一半;并利用修正后的模型对钛合金材料不同情况下疲劳小裂纹扩展速率和寿命进行预报,同时将预报结果与试验值比较。结果表明:修正后的预报模型对小裂纹扩展速率和寿命均有很好的预报效果。     

钛合金疲劳小裂纹扩展行为预报方法研究

针对小裂纹扩展阶段裂纹尖端塑性区域尺寸相对于小裂纹长度是不可忽略的问题,在考虑小裂纹效应裂纹扩展速率修正模型基础上,对该模型中裂纹尺寸进行修正,即裂纹长度等于真实裂纹长度加上平面应变状态下裂纹尖端塑性区域一半;并利用修正后的模型对钛合金材料不同情况下疲劳小裂纹扩展速率和寿命进行预报,同时将预报结果与试验值比较.结果表明:修正后的预报模型对小裂纹扩展速率和寿命均有很好的预报效果.     

含裂纹梁的模态与振动疲劳寿命分析

基于传递矩阵法和Paris公式,提出一种对含初始横向裂纹悬臂梁进行模态和振动疲劳寿命分析的理论方法.采用无质量弯曲弹簧来等效横向裂纹,弹簧刚度通过裂纹引起悬臂梁的局部柔度来表述,则整条悬臂梁被离散成弯曲弹簧连接的两段完整梁.根据Euler-Bernoulli梁理论,采用更精简方法推导出悬臂梁的特征传递矩阵,分析裂纹参数对悬臂梁前五阶模态的影响.通过同步分析法使得裂纹梁模态和疲劳裂纹扩展分析同时进行,采用Paris公式模拟疲劳裂纹的扩展速率,研究悬臂梁根部区域裂纹参数对悬臂梁振动疲劳寿命的影响.结果表明,疲劳裂纹对悬臂梁的各阶模态和振动疲劳寿命的影响很大,且悬臂梁根部区域的任意位置都可能发生疲劳断裂.     

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。     

钛合金室温与低温疲劳裂纹扩展速率试验研究

为了明确极地破冰船关键部位钛合金的疲劳裂纹扩展行为,本文以89 mm厚钛合金为试验对象,完成室温以及低温下的疲劳裂纹扩展速率试验。从钛合金的a-N曲线表明随着温度的降低,钛合金的寿命增加;对a-N曲线进行数据处理得到疲劳裂纹扩展速率的双对数曲线。结果表明:在一定应力强度因子内,随着温度的降低,疲劳裂纹扩展速率降低;在-60℃时,断裂韧性降低,在一定应力强度因子以外,裂纹扩展速率提高;在极地正常温度内,可以确定钛合金满足极地低温疲劳裂纹扩展速率要求,但是在-60℃以下的一些极端极地气温下,防止脆性破坏成为疲劳设计的重点;试验数据能为极地破冰船进一步抵抗低温疲劳和冷脆断裂设计提供参考;采用采用所提出的预报公式对钛合金疲劳裂纹扩展速率的中速率区和高速率区进行预报,预报结果显示该预报公式能较好的预报该钛合金的低温疲劳裂纹扩展速率的2个区域。     

Numerical study on fatigue crack growth at a web-stiffener of ship structural details by an objected-oriented approach in conjunction with ABAQUS

It is necessary to manage the fatigue crack growth (FCG) once those cracks are detected during in-service inspections. This is particular critical as high strength steels are being used increasingly in ship and offshore structures. In this paper, a simulation program (FCG-System) is developed utilizing the commercial software ABAQUS with its object-oriented programming interface to simulate the fatigue crack path and to compute the corresponding fatigue life. In order to apply FCG-System in large-scale marine structures, the substructure modeling technique is integrated in the system under the consideration of structural details and load shedding during crack growth. Based on the nodal forces and nodal displacements obtained from finite element analysis, a formula for shell elements to compute stress intensity factors is proposed in the view of virtual crack closure technique. Neither special singular elements nor the collapsed element technique is used at the crack tip. The established FCG-System cannot only treat problems with a single crack, but also handle problems with multiple cracks in case of simultaneous but uneven growth. The accuracy and the robustness of FCG-System are demonstrated by two illustrative examples. No stability and convergence difficulties have been encountered in these cases and meanwhile, insensitivity to the mesh size is confirmed. Therefore, the FCG-System developed by authors could be an efficient tool to perform fatigue crack growth analysis on marine structures.     

Fatigue crack propagation and computational remaining life assessment of ship structures

The fitness for serviceability of structural members of marine structures in which fatigue cracks might be found during in-service inspection is investigated in order to prevent instantaneous failures of ships, as well as a loss of serviceability such as the oil- and/or watertightness of critical compartments. The essential features of fatigue crack propagation and the remaining life assessment are discussed in the first part of the paper, where the effects of weldment, complicated stress distributions including stress biaxialities at three-dimensional structural joints, structural redundancy, and crack curving are found to be of primary importance. The second part of the paper contains a discussion of an advanced numerical simulation method for the remaining life assessment, in which the above-mentioned effects of fatigue crack propagation are taken into account. The simulated crack paths and the fatigue crack propagation lives are found to be in fairly good agreement with the experimental results.     

改进的统一疲劳裂纹扩展速率预报模型对合金在常幅载荷下普遍适用性的研究

精确预报金属结构的疲劳对确保结构安全及指导结构设计与维修具有重要的意义.作者们基于McEvily模型提出了一个改进的统一疲劳裂纹扩展速率模型,其将疲劳裂纹扩展的三个扩展区域统一起来,并能解释更多的疲劳试验现象.文中对该模型进行了详细阐述,同时对模型参数的工程预报方法进行了讨论.为了进一步检验本模型的可靠性,还对不同载荷比下各种材料疲劳裂纹扩展率的预报结果与实验结果进行了对比,对比结果证明了该模型的准确性及其在常幅载荷下对不同材料的普遍适用性.     

Crack growth direction effects on corrosion-fatigue behaviour of offshore wind turbine steel weldments

In this study corrosion-fatigue tests have been conducted on fracture mechanics specimens extracted from an S355 G10+M structural steel welded plate. The tests have been performed on compact tension specimens with the crack tip located in the heat affected zone. The corrosion-fatigue test results from this study have been compared with the data available on the base metal as well as air tests on the same material. Moreover, the obtained results have been compared with the corrosion-fatigue data available in the literature on a wide range of steels and also the fatigue trends for welded joints in free-corrosion condition recommended in the BS7910 Standard. The effect of the specimen orientation, with respect to the weld region, is also examined in this study and it has been found that higher corrosion-fatigue crack growth rates are generally observed in the tests with 0° orientation. The results have also shown that the corrosive environment has significant effects on the fatigue crack growth acceleration at the beginning of the tests; however, as the crack propagates, the environmental damage effect on crack growth behaviour becomes less pronounced. The results presented in this study are discussed in terms of improvement in the structural integrity assessment of offshore wind turbine monopiles.     

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。     

海洋结构物疲劳裂纹扩展寿命的一种工程预报方法

海洋结构物疲劳寿命的准确预报对海洋结构安全具有重要意义。基于裂纹扩展的寿命预报相比于常规的基于累积损伤理论的寿命预报方法,能够考虑载荷次序、初始缺陷等重要因素的影响,各大船级社极力推进裂纹扩展理论在海洋工程中的应用。文章从裂纹扩展法则、应力强度因子求解、疲劳载荷谱模拟上对裂纹扩展理论的工程应用进行研究,试图找出准确、合理且相对简单的方法。结合裂纹扩展的单一曲线模型、基于有限元子模型技术的应力强度因子求法以及基于谱分析的疲劳载荷谱产生方法,对某半潜式钻井平台典型焊接节点进行基于裂纹扩展疲劳寿命预报,并讨论了初始裂纹尺寸对疲劳寿命的影响。结果表明,该半潜平台焊接结构符合设计寿命的要求,初始裂纹尺寸对疲劳寿命影响很大,可为海洋结构物基于裂纹扩展的疲劳寿命预报提供参考。     

液化气体船独立液舱的疲劳与断裂寿命预测

随着低温、高强度钢和薄板在液化气体船上的广泛应用,使得液舱结构安全性问题愈发严重,传统的强度评估方法已经不能满足产品设计的特殊要求,基于断裂力学的疲劳寿命评估已成为液化气体船结构安全评估的主要手段。本文选取江南造船自主研发的超大型乙烷运输船为研究对象,其独立液舱的舱体采用低温镍钢5Ni材料,可运载温度低至-104℃的乙烯、乙烷和丙烷等货品,需满足IGC CODE,USCG和船级社规范等要求。本文采用BS7910失效评定方法和Pairs裂纹扩展速率计算公式,完成液舱结构初始表面裂纹扩展至贯穿型裂纹,再产生结构断裂失效损坏的寿命预测,为超大型乙烷运输船的自主研发提供一种有效的技术途径。     

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。