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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

深海球壳表面裂纹应力强度因子影响研究

针对深海球形耐压壳的人员出入孔焊趾处的表面裂纹问题,本文建立了有限元模型并引入初始裂纹,考虑焊接残余应力沿壁厚线性分布的情况,采用M-积分法求解了在海水外压力和焊接残余应力共同作用下的应力强度因子。计算了不同尺寸裂纹下三种应力强度因子沿裂纹前缘的分布情况,发现人孔焊趾处裂纹主要表现为张开型(Ⅰ型)裂纹,相比于K_Ⅰ,K_(Ⅱ)和K_(Ⅲ)对裂纹的影响很小。分析了焊接残余应力和裂纹形状对应力强度因子的影响,讨论了同一深度半长比下表面裂纹K_Ⅰ最大值随裂纹深度变化和沿裂纹前缘K_Ⅰ的分布规律,结论可为进一步研究球形耐压壳的裂纹扩展及疲劳寿命预测提供一定的参考。     

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.     

舰船机械焊接接头疲劳裂纹损伤研究

由于传统的舰船机械接头焊接方法得到的构件极限荷载数值较小,容易产生疲劳裂纹损伤,导致其使用寿命过短,提出舰船机械焊接接头疲劳裂纹损伤研究。分析焊接接头在不同条件下的受力情况,建立有限元模型,将输出结果设置为应力强度因子,并采用四点受压载荷设计,计算裂纹应力强度,分析应力强度因子数值在趋近于临界值时,对裂纹扩展的加速效应,完成舰船机械焊接接头疲劳裂纹损伤研究。设计对照实验,测试本文方法的应用效果,将其与另外2种传统方法比较,分别测试三者的极限荷载。实验结果表明,所提出的焊接方法最大极限载荷数值达到了1 964 kN,相比传统方法增加了1.8%,证实本文方法能够有效控制焊接接头疲劳裂纹损伤程度,增长其使用寿命。     

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.     

基于裂纹最大张口位移的加筋板弹塑性断裂分析

为了快速方便地求取船舶加筋板塑性性能的两个重要参数—裂纹尖端塑性区半径（Ry）和裂纹尖端张开位移（CTOD）,文章提出了一种基于裂纹最大张口位移（MCOD）来确定加筋板的裂纹尖端塑性区半径和裂纹尖端张开位移的简便方法。该法基于理想弹塑性材料,以提出的裂纹最大张口位移与裂纹尖端塑性区半径及裂纹尖端张开位移的拟合函数关系为基础,考虑了模型尺寸效应、材料特性参数及外载荷的影响。文中还对不同裂纹长度、不同屈服极限条件、不同板/筋刚度比时方法的适用性进行了分析,研究表明：该方法能够消除裂纹长度、屈服极限和外载荷等因素的影响,适用于有限宽船舶加筋板的弹塑性分析。     

弯曲载荷作用下含切口T型节点表面裂纹应力强度因子计算

含裂纹修理切口T型节点的切口底部易于产生疲劳损伤,因而需要对该处新萌生的表面裂纹的疲劳寿命进行估算,以评判下次检修的时间.本文采用基于线弹性断裂力学的有限元方法,对弯曲载荷作用下于修理切口底部产生的表面裂纹最深处的应力强度因子进行了计算.计算结果表明,对于同一类型节点,在相同裂纹深度下,裂纹底部的应力强度因子随着a/c的减小而增大.进而,根据修理切口的不同形状,给出了一组具有一定工程适用范围的回归公式.根据基于线弹性有限元计算结果得出的经验公式,对含修理切口T型节点切口底部萌生的表面裂纹扩展规律进行分析,得出了不同裂纹深长比下,裂纹深长增量比随裂纹深度的变化曲线.在数值计算的基础上,采用船用普通钢制备的试件,对切口底部萌生的表面裂纹进行试验研究,描述了在交变弯曲载荷作用下裂纹形貌的变化规律.试验结果表明,试验数据点与计算曲线相比,具有较高的一致性,验证了根据有限元计算结果提出的拟合公式的精度.     

船舶折角型节点的疲劳裂纹扩展计算

文章以船舶折角型节点为研究对象,运用有限元软件WALCS和PATRAN分别预报某船的水动力响应和结构热点应力响应.为避免计算表面裂纹应力强度因子时需要在PATRAN有限元模型中疲劳热点区域采用体单元建模,文中提出了一种计算波浪载荷下船海结构物三维表面裂纹应力强度因子而无需在PATRAN中建立体模型的方法,并通过与广泛认可的经验公式对比验证其精度.将此方法应用于该船船舯底边舱折角处表面裂纹应力强度因子计算,计算并总结出波浪载荷下该类节点处表面裂纹应力强度因子的无量纲计算经验公式.应用一种基于谱分析构建结构疲劳载荷谱的方法,结合单一曲线模型对该节点进行裂纹扩展计算.计算结果表明:该船船舯底边舱折角疲劳寿命不满足设计要求,建议对节点进行改进.     

船舶折角型节点的疲劳裂纹扩展计算（英文）

文章以船舶折角型节点为研究对象,运用有限元软件WALCS和PATRAN分别预报某船的水动力响应和结构热点应力响应。为避免计算表面裂纹应力强度因子时需要在PATRAN有限元模型中疲劳热点区域采用体单元建模,文中提出了一种计算波浪载荷下船海结构物三维表面裂纹应力强度因子而无需在PATRAN中建立体模型的方法,并通过与广泛认可的经验公式对比验证其精度。将此方法应用于该船船舯底边舱折角处表面裂纹应力强度因子计算,计算并总结出波浪载荷下该类节点处表面裂纹应力强度因子的无量纲计算经验公式。应用一种基于谱分析构建结构疲劳载荷谱的方法,结合单一曲线模型对该节点进行裂纹扩展计算。计算结果表明:该船船舯底边舱折角疲劳寿命不满足设计要求,建议对节点进行改进。     

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。     

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.     

基于断裂力学的破冰船结构疲劳损伤评估方法

在极地恶劣的低温环境及冰载荷冲击下，破冰船结构的表面裂纹呈现出不同于常规水面船舶的疲劳裂纹扩展特性。以“雪龙2”号破冰船首部结构为例，基于断裂力学方法开展破冰船结构节点处的疲劳裂纹扩展研究。首先基于焊接节点处应力强度因子的理论解，对表面裂纹扩展方法进行验证；然后通过整体-局部耦合分析方法提取典型疲劳节点处的结构子模型。基于低温下材料的Paris参数和结构裂纹扩展模拟方法进行裂纹扩展分析。还讨论了初始裂纹尺寸和低温下材料的Paris参数对结构裂纹扩展的影响。结果表明，破冰船典型结构节点处的裂纹扩展对初始裂纹尺寸和温度较为敏感。     

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。     

基于NSIF的应变能密度法评估焊接接头疲劳强度（英文）

本文介绍了一种基于切口应力强度因子的应变能密度法来评估焊接接头的疲劳强度。该方法将焊接接头简化成尖锐的V型切口。切口尖端应力的奇异性与切口的张开角度有关,切口尖端附近的应力分布可以用切口应力强度因子来描述。切口应力强度因子的计算需要精细的网格划分,在不同的切口张开角度下计算得到的切口应力强度因子之间是无法直接进行比较的。本文基于切口应力强度因子,研究了以R为临界半径的扇形面积内的应变能密度。经验证,应变能密度法不依赖于网格尺寸,包含了焊接接头局部焊接参数等影响,能够准确描述焊趾附近高应力区的应力分布,对于焊接接头疲劳强度的评估具有一定的工程应用价值。