疲劳裂纹扩展双参数统一方法中门槛值的确定

疲劳裂纹扩展双参数统一方法是由Sadananda和Vasudevan提出的,并认为,疲劳裂纹的扩展是在两个驱动力Kmaz和ΔK共同作用下发生的,因此,裂纹的扩展存在两个门槛值Kmax,th和ΔK与这两个驱动力相对应.为了使裂纹扩展,必须同时满足两个门槛值(Kmax,th;ΔKth)的条件.从理论上来说,门槛值可以通过试验来测定,但由于试验测定门槛值存在较多困难.文章基于作者们在PRADS2007会议上提出的双参数裂纹扩展率的一般表达式,给出根据疲劳试验数据确定门槛值的方法,和试验数据相比,吻合较好.     

基于双参数统一方法研究压一压疲劳下的裂纹扩展

通过带缺口试样的数值模拟,揭示在压一压疲劳载荷作用下裂纹扩展的机理.利用作者们在PRADS2007会议上提出的双参数疲劳寿命扩展模型,分析压一压疲劳载荷下裂纹扩展规律.研究结果表明,在压一压疲劳载荷作用下,裂纹是可以扩展的,裂纹扩展与卸载后在裂纹尖端形成的残余拉应力场有关,随着裂纹尖端塑性区的减小,裂纹扩展率逐渐降低,并最终停止扩展.进一步研究表明,作者们提出的双参数裂纹扩展率公式不仅能够在拉一拉疲劳、拉一压疲劳中使用,还可以在压一压疲劳中成功使用.     

基于双参数统一方法的深海结构物疲劳裂纹扩展影响参数研究

影响裂纹扩展的因素很多,文章基于作者们在PRADS2007会议上提出的双参数裂纹扩展率一般表达式,分析了裂纹初始形状、初始大小对裂纹扩展的影响.并在该裂纹扩展率公式的基础上,基于改进的Wheeler模型,提出了一个考虑载荷比、载荷次序的双参数统一裂纹扩展率表达式.研究表明,文中给出的双参数裂纹扩展率公式能够考虑初始裂纹的形状、大小对裂纹扩展的影响;建立的过载扩展公式,能够反映过载对裂纹扩展的延滞效应,和高强度钢的疲劳试验结果相比较,两者吻合良好.     

几种疲劳裂纹扩展模型的比较分析

研究疲劳裂纹扩展机理以及评估结构疲劳强度的“单参数模型”和“双参数模型”对疲劳裂纹扩展的三个阶段—门槛值附近、稳定扩展阶段、失稳阶段的描述能力存在较大差别.文章就现今主流的以McEvily模型为源头的一系列单参数模型、双参数模型、统一模型以及正切模型进行了探讨,分析了这些模型对疲劳裂纹扩展的描述能力以及在疲劳寿命评估方面的差别.     

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。     

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。     

钛合金疲劳裂纹扩展速率试验及预报方法

本文针对深海载人潜水器耐压壳用钛合金,开展疲劳性能试验研究,得到该类型钛合金的室温断裂韧性,载荷比R=0.1下的疲劳裂纹扩展门槛值及疲劳裂纹扩展速率,基于选用的疲劳裂纹扩展预报模型,对载荷比R=0.1下的钛合金疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究。结果表明:在载荷比不变的前提下,应力强度因子范围是疲劳裂纹扩展速率的主要影响因素,应力强度因子范围的增加会导致疲劳裂纹扩展速率增加;考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展预报模型可对钛合金的疲劳裂纹扩展行为进行准确预报。     

用现有疲劳试验数据确定疲劳裂纹扩展率

疲劳寿命的预报在船舶与海洋工程领域中相当重要，但其关键问题是要找到一种较科学的疲劳寿命预报方法。最近，本文第二作者提出了一种海洋结构物疲劳寿命预报的统一方法。该方法是基于疲劳裂纹扩展理论而发展起来的，在其九个参数模型的假设之下，能够较好地解释一些其它方法所不能解释的现象。采用该方法的主要障碍在于需要确定疲劳裂纹扩展率。作者通过对不同的疲劳裂纹扩展率的比较研究，并推广McEvily模型后，提出了一个具有较宽适用范围的九个参数疲劳裂纹扩展率模型(从门槛域一直到不稳定断裂域)。本文的主要目的是解决如何根据一些现有的疲劳试验数据来确定这九个模型参数的问题。文中给出了通过实验数据确定裂纹扩展率模型中各个参数的方法，并进行了模型参数的灵敏度分析。通过对文献中一些试验数据的收集，给出了几种常用金属材料的裂纹扩展率模型参数。     

Ti-6Al-4V疲劳小裂纹扩展速率研究

针对金属材料疲劳小裂纹扩展特点,在改进疲劳寿命预报统一方法的基础上对裂纹长度及小裂纹门槛值进行了进一步修正,提出了金属材料疲劳裂纹扩展预报修正模型,着重对钛合金Ti-6Al-4V的疲劳小裂纹扩展行为进行了预报研究,对比参考文献中的试验结果,验证了预报结果的可靠性.研究结果表明,该修正模型对Ti-6Al-4V疲劳小裂纹扩展速率具有较好的预报能力.     

疲劳裂纹扩展模型中表征裂纹闭合水平参数的确定

借助7075-T 6铝合金、6013铝合金以及0.45w t%碳钢的疲劳试验数据,结合上述材料的力学性能参数,通过非线性最小平方拟合方法,研究了表征裂纹闭合水平参数k对疲劳裂纹扩展率的影响。研究结果表明,对于宏观裂纹范围内的疲劳裂纹扩展,参数k只要大于某个值就对疲劳裂纹扩展率无影响;而对于小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展,参数k对疲劳裂纹扩展率的影响较明显,因此参数k的大小主要取决于小裂纹扩展数据。依据0.45w t%碳钢疲劳试验数据,相应参数k的建议值为6 000m-1。     

焊接残余应力对疲劳寿命影响的定量研究

在以往的研究中,残余应力对疲劳寿命的影响基本上均局限于定性分析,很少给出定量的研究结果。文章基于双参数统一方法,开展了锥柱结合壳处的残余应力对疲劳寿命的定量计算分析,给出了残余应力对疲劳寿命影响范围,并通过试样疲劳试验进行了验证。通过研究,可以看出残余应力没有改变裂纹的扩展趋势,但明显加快了裂纹扩展的过程,明显降低了耐压结构的疲劳寿命。     

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.     

船舶结构疲劳评估设计波法

以散货船船舯内底与底边舱斜板折角处节点为例,对船舶结构疲劳评估的设计波法进行研究.论述了设计波法的基本原理,给出了确定设计波的流程。通过分析该节点的受力情况,确定5个控制载荷参数及设计波参数。以谱分析法得到的参考应力范围为目标值,对5个控制载荷参数对应的设计波作用下的节点应力范围结果进行回归分析,从而得到了用于疲劳评估的设计波组合,并利用该方法对1艘散货船的船舯内底与底边舱斜板折角处的节点进行了计算。结果显示,设计波法与谱分析法的结果吻合较好,计算量大幅减少。     

基于标准建模的舰船试验备航训练系统研究

采用UML建模语言对舰船试验备航训练系统的设计进行了系统分析。运用实例阐明了标准化建模技术在建立舰船试验备航训练系统与动态模型中的应用,并给出了系统的用例图模型、流程图模型和顺序图模型。     

基于统一模型的船舶迎浪参数横摇数值预报及其舵减摇研究

国际海事组织（IMO）正致力于第二代完整稳性规范的制定,而参数横摇一直是船舶动态完整稳性研究的热点。文章采用考虑船舶操纵性和耐波性运动耦合的统一模型对迎浪规则波下的船舶参数横摇运动进行了时域数值模拟。在时域模型中,六自由度耐波性运动辐射绕射力采用切片理论计算,并由脉冲响应函数法转化到时域。非线性回复力和入射波力采用瞬时湿表面压力积分方法计算。操纵性运动基于MMG模型,依据统一理论将操纵性与耐波性运动进行耦合计算。文中先应用简化三自由度模型对三艘集装箱船进行了参数横摇样船计算,并进行了初步的模型实验验证,依据结果对比分析了横摇惯性矩、初稳性高和方形系数对参数横摇的影响。基于统一模型分析了操纵性运动对参数横摇的影响,并进行了参数横摇舵减摇研究。     

基于IIW准则的焊接接头多轴疲劳强度评估

多轴疲劳失效是焊接结构的主要失效模式之一。本文基于IIW多轴疲劳准则,结合切口应力法,采用1mm与0.3mm两种虚拟半径,对当前比例加载与非比例加载下的多轴疲劳实验数据进行了对比研究,结果表明：较之于名义应力法,两种虚拟半径下的切口应力系统数据点分散带 从1:3.06分别降至1:2.01与1:2.15,虚拟半径取0.3mm在多轴疲劳分析中是可行的;两种虚拟半径下的实验数据点分布均与厚度相关。在此基础上,本文在1mm与0.3mm两种虚拟半径基础上引入了0.5mm的虚拟半径,针对不同板厚引入不同虚拟半径进行有限元分析,数据点分散带 进一步降至1:1.78,拟合得到存活率PS=97.7%的S-N曲线,其斜率m为5.7,疲劳等级FAT为500MPa。     

基于D-S证据理论的舰船技术状态评估方法

在简要叙述船舶技术状态评估现状的基础上,提出了基于D-S证据理论的舰船技术状态评估方法。介绍了船舶技术状态评估的重要性和发展现状,以及可处理由不知道所引起的不确定性的D-S证据理论和基于D-S证据理论的决策方法;通过实例详细阐述如何用D-S证据理论进行舰船技术状态评估。实例证明,通过应用D-S证据理论,提高了舰船技术状态评估的准确性和可靠性,降低了评估的不确定性。     

基于面元法的船舶螺旋桨附连水质量与阻尼计算方法研究

在船舶轴系振动或桨轴流固耦合分析中,螺旋桨在流场中所引起的附连水质量与阻尼是很重要的参数。但实际计算中螺旋桨附连水质量常常用螺旋桨自身质量乘以一个经验系数得到,而附加阻尼往往被忽略。针对这些不足,文章利用螺旋桨水动力分析中常使用的面元法,构建了螺旋桨随轴系在水中振动时的附加质量与阻尼数值计算方法。目前求解附加质量的经典方法是基于运动物体引起流体动能变化来求解,但该方法不能求解附加阻尼。文中证明了所提出的方法与经典方法是完全等价的,同时利用该方法还可以求解附加阻尼。最后以球体、椭球体及螺旋桨为对象给出几个算例,并与解析解或其它文献计算结果比较,误差均在合理范围内,表明文中提出的方法的有效性。