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。     

复杂载荷作用下潜艇结构疲劳裂纹扩展预报方法

统一疲劳裂纹扩展模型是课题组在McEvily模型基础上提出来的,它将疲劳裂纹扩展的3个扩展区域统一起来,并能解释更多的疲劳试验现象.本文介绍了统一疲劳裂纹扩展模型的基本表达式.将此模型与焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子的计算方法结合起来,探讨复杂载荷作用下潜艇结构疲劳裂纹扩展预报方法.将服从Weibull分布的随机载荷系列编排为升序、降序载荷谱及随机载荷谱,预报潜艇锥柱结合壳焊缝焊趾处表面裂纹在3种载荷谱下的疲劳裂纹扩展情况,并分析随机载荷谱下载荷次序效应及初始裂纹尺寸对疲劳裂纹扩展行为的影响.结果表明,载荷次序效应对潜艇结构疲劳寿命的影响很明显,且合理的确定初始裂纹尺寸对潜艇结构的疲劳寿命预报是非常重要的.     

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.     

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.     

随机载荷作用下的疲劳裂纹扩展

船舶等许多工程结构在服役过程中的受载荷历程是一个随机过程.而变幅载荷下的载荷相互作用对疲劳裂纹扩展寿命将产生显著的影响.因此研究随机载荷作用下的裂纹扩展及定量计算对船舶结构的疲劳寿命预测的可靠性是十分重要的.该文提出了一个基于有效应力强度因子,以应力比和裂纹尖端塑性区尺寸为主要参数的随机载荷作用下疲劳寿命预测模型.该模型用于预测几种载荷谱作用下的裂纹扩展试验,结果表明预测结构和实验结果符合得很好.     

破损舰体结构疲劳裂纹扩展及剩余寿命研究

采用预制缺口的907A钢平板结构试样进行拉伸疲劳载荷试验,得到了拉伸疲劳载荷作用下平板结构破口裂纹扩展规律.采用奇异单元法计算了相应试件的裂纹尖端应力强度因子,利用Paris准则得出裂纹扩展速率与应力强度因子的关系式.提出了破损舰体结构的疲劳裂纹扩展模型,用于估算破损舰船结构在波浪中航行时的裂纹扩展分析和剩余寿命预报.通过某型舰算例验证了文中试验计算方法的合理性.     

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.     

拉伸载荷下加筋板裂纹扩展研究

采用预制缺口的加筋板结构试样,对921A钢加筋板结构进行拉伸疲劳载荷作用下的低周疲劳试验,采用奇异单元法计算相应试件的裂纹尖端应力强度因子,利用Paris准则得出裂纹扩展速率与应力强度因子的关系式,得到拉伸疲劳载荷作用下舰体加筋板结构破口裂纹扩展模型,用于分析和预报破损舰船结构在波浪中航行时的裂纹扩展情况和剩余疲劳寿命预报,算例验证了本试验计算方法的合理性。     

两级交变载荷下船体结构典型节点疲劳试验研究

江海直达船属于浅吃水大型宽船,往复航经江段和海段,其疲劳问题不容忽视。将江段和海段载荷简化为小和大2级交变载荷,选取较为典型的船底纵骨贯穿横舱壁节点,通过对比试验探讨2级交变载荷对该船疲劳寿命的影响。试验结果表明,在试验工况下,变幅载荷中的大载荷是导致裂纹扩展的主要因素,小载荷的参与会降低大载荷作用下裂纹扩展的速率。采用等效应力法对变幅载荷下节点的疲劳寿命进行评估,发现采用Miner准则所得结果偏保守,采用均方根法所得结果偏危险,采用修正的Miner准则所得结果精度较高,推荐采用该方法评估2级交变载荷下船体结构典型节点的疲劳寿命。     

舰用907A钢结构高频疲劳裂纹扩展试验研究

采用预制缺口的舰体结构试样,对舰用907A钢在拉伸疲劳载荷作用下的裂纹扩展规律进行了高频疲劳试验研究,得出在拉伸疲劳载荷作用下舰体结构的裂纹扩展规律,模拟了舰船在航行时波浪交变载荷对舰船结构的破坏作用,试验结果对预报破损舰船在波浪中航行时的裂纹扩展情况具有参考作用。     

随机海况下的船体结构疲劳裂纹扩展

传统的疲劳问题一般都是采用S—N曲线及Miner累计损伤理论进行的,文章在基于断裂力学的基础上,通过权函数法来计算应力沿裂纹面的非线性效应力强度因子,鉴于船舶在海洋环境中受到载荷的随机性,充分考虑加载次序、过载峰和应力比等对裂纹扩展的影响,给出了船舶结构疲劳裂纹在随机载荷下的扩展寿命的计算过程。     

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。     

450MPa级船体钢焊缝疲劳试验研究

通过对450MPa级船体用钢母体试件、焊缝试件在波浪随机载荷和均方根等效载荷下的疲劳裂纹扩展规律的试验和模拟计算，结果表明用均方根等效载荷替代波浪随机载荷下的疲劳裂纹扩展规律是一种安全有效的方法，并且焊缝金属在抵御疲劳裂纹扩展方面优于母材金属。     

Multi-scale modeling of fatigue crack propagation applied to random sequence of clustered loading

Fatigue crack propagation in marine structures is obviously governed by mechanics of the considerably different four levels of multi-scale problems. Problems of structural response to environmental loads have length scale of several hundred meters, whereas possible detectable size of cracks from initial defects in a weld is of the order of millimeters. Once a fatigue crack initiates, crack tip plasticity is of the order of several grain sizes, while the resulting fatigue crack growth in each load cycle is of the order of nanometers. In our previous work, the first author and their associates have developed the so-called CP-System, which can treat the first two multi-level problems as an integrated system. Furthermore, we have incorporated the third level of mechanics by using the stress intensity range corresponding to the repeated tensile plastic deformation ahead of the crack tip. In the present paper, we shall discuss a more rational integral equation-based formulation in order to integrate the third and fourth levels of micro-mechanics to the first two levels of continuum mechanics.The method is then applied to fatigue crack propagation under the effects of random sequence of clustered loading. As an example of the random sequence of clustered load, we shall use the so-called “storm model”. In the crack propagation simulation, we have to take into account of the plastic wake on the crack surfaces, whose thicknesses are influenced by the material parameters involved in the crack growth model. These parameters are first identified by the fatigue tests under combined constant and random loading using a CT specimen. Then, fatigue crack growth is investigated by numerical simulation and fatigue tests for various random sequences of clustered loading. The experimental and numerical results agree quite well with each other, and fatigue crack propagation is found to be considerably retarded under random sequence loading, so that the conventional equivalent stress approach may provide rather conservative results to the real seaway loading.     

基于腐蚀疲劳裂纹扩展的自升式海洋平台桩腿时变可靠性研究

本文研究了腐蚀与疲劳载荷耦合作用下自升式平台桩腿服的可靠性问题。采用ANSYS对自升式海洋平台桩腿结构进行建模,根据平台服役海域的波浪散布图对桩腿结构的工况进行划分,确定浪溅区桩腿结构的疲劳关键节点及其等效应力;以桩腿材料E690高强钢为对象,进行腐蚀疲劳裂纹扩展实验,获得了不同环境下的疲劳裂纹扩展参数;提出了基于断裂力学的浪溅区桩腿关键节点的时变可靠性模型,与采用现有腐蚀模型的桩腿时变可靠性指标进行了对比,结果表明了本文所提方法能有效地反映平台桩腿服役期间关键节点的时变可靠性变化趋势,为平台在服役期间的安全运行与维护保养提供了理论指导。     

有效应力强度因子幅值计算模型的验证

裂纹闭合效应在金属疲劳中有着十分重要的作用,裂纹闭合概念已经用于解释变幅载荷作用下的裂纹扩展问题,已提出了许多基于裂纹闭合概念的有效应力强度因子计算模型.黄等人在Newman模型的基础上,提出了考虑因素更全面且便于应用的有效应力强度因子幅计算模型以及变幅载荷下工程结构疲劳寿命预测模型.为了验证该模型对不同材料的有效性和适应性,收集了一些相关的试验数据,和该模型的预测结果对比发现该模型的预测结果和试验数据符合得很好.对几种钢、铝合金和钛合金材料在不同应力比下的裂纹扩展速率数据用该模型转换成用有效应力强度因子表示的裂纹扩展速率,结果表明由有效应力强度因子幅表示的扩展速率将不同应力比下较分散的裂纹扩展率数据集中在一个很小的分散带内,同时得到了有参考价值的的一些结论.