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。     

海洋结构物用钛合金Ti-6AL-4V保载—疲劳试验研究

研究表明室温下疲劳峰值的保载对钛合金材料裂纹扩展速率具有明显影响,为此文章开展了室温疲劳峰值保载对潜水器用钛合金Ti-6Al-4V疲劳裂纹扩展影响的试验研究,并基于保载—疲劳裂纹扩展速率预报模型对该材料的保载—疲劳裂纹扩展速率进行了预报研究,从而验证该模型的适用性和可靠性。研究结果表明:疲劳载荷应力峰值处引入保载时间明显加速了钛合金Ti-6Al-4V疲劳裂纹扩展速率;随着应力强度因子范围的增加,保载—疲劳裂纹扩展速率与疲劳裂纹扩展速率之间的差异增加,即高应力强度因子范围下保载对裂纹扩展速率的影响加大;基于课题组提出的保载—疲劳裂纹扩展行为预报模型,对钛合金Ti-6Al-4V保载—疲劳裂纹扩展速率进行了预报,预报结果与试验结果吻合较好,从而验证了该模型的可靠性。     

新型钛合金材料疲劳寿命试验及预报方法研究

为保障我国深海载人潜水器耐压壳结构安全性,本文针对耐压壳用新型钛合金的疲劳特性开展了不同应力水平下疲劳裂纹扩展门槛值试验以及疲劳寿命试验研究;获得了新型钛合金材料在载荷比R=0.1下的门槛值以及不同应力水平下该材料的疲劳寿命值;并基于断裂力学方法,对新型钛合金材料疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究,将预报结果与相应试验结果进行了对比,从而验证预报方法的可行性和可靠性.     

新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展特性研究

本文针对海洋结构物用的一种新型钛合金材料，开展疲劳裂纹扩展速率和复杂载荷谱下保载-疲劳裂纹扩展速率试验研究，综合探讨上峰值保载时间和下峰值保载时间对该新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展行为的影响规律；基于断裂力学理论，建立新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型，采用试验方法验证该模型对新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展行为的预报能力。研究结果表明：新型钛合金材料疲劳裂纹扩展行为对上、下峰值保载时间较敏感，随着上峰值和下峰值保载时间的增加，裂纹扩展速率增加，但是裂纹扩展速率增加的趋势逐渐减小，即上、下保载时间对新型钛合金材料裂纹扩展速率的影响具有一定的饱和值。提出了新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型，对复杂载荷谱下的保载-疲劳裂纹扩展速率进行了预报研究，预报结果与试验结果吻合较好。     

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.     

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。     

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.     

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。     

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。     

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.     

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.     

过载保载对金属材料疲劳裂纹扩展速率影响研究

文章基于载荷次序效应产生影响的原因和相关预报模型,提出了考虑单峰过载和保载共同作用下疲劳裂纹扩展速率预报模型。在文中提出的考虑载荷次序效应的疲劳裂纹扩展速率预报模型的基础上,对几种金属材料在单峰过载、多峰过载、过载与保载共同作用下疲劳裂纹扩展速率进行了预报研究,并将预报结果与相应试验结果进行了比较,对考虑载荷次序效应的疲劳裂纹扩展速率预报模型的适用性进行了验证。     

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。     

有效应力强度因子范围门槛值与载荷比关系的研究

不同载荷比下的有效应力强度因子范围门槛值△Keff.th往往被看作一个常数,然而疲劳实验数据结果通常散落在一个较窄的带宽范围内,而不是所期望的一条曲线。另外,基于改进的McEvily模型对△Keff.th进行的灵敏度分析表明△Keff.th对疲劳裂纹扩展率具有重要的影响,尤其是在占有大部分疲劳裂纹扩展寿命的近门槛值区域。因此,文章认为不同应力比下的△Keff.th为变量,并且通过三个方面对△Keff.th与应力比R的关系进行了深入的研究:(a)Schmidt和Paris提出的一个关于△Keff.th的简化模型和相应的试验数据;(b)基于传统的裂纹完全闭合概念的△Keff.th试验数据;(c)基于裂纹局部闭合模型的△Keff.th,p试验数据。分析结果表明,在应力比低于临界应力比时,随着应力比的增加,有效应力强度因子范围门槛值也相应增加;而应力比高于临界应力比时,有效应力强度因子范围门槛值随应力比的增加而减小。另外,通过对试验数据的曲线拟合分析表明,Lorentz分布能很好地描述相应的试验数据。     

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.     

复杂应力场中裂纹疲劳扩展寿命预报

船舶作为一种大型焊接结构,其疲劳热点部位的应力应变场分布很复杂,要预报这些部位的裂纹疲劳扩展寿命,必须解决复杂场中裂纹的应力强度因子计算及其裂纹扩展方向问题.该文对船舶肘板处两种不同原因产生的裂纹的扩展路径、扩展速率进行了研究.裂纹扩展方向用第一主应力准则确定,在裂纹扩展方向上给定不同的裂纹增量,得到不同长度裂纹的复合裂纹等效应力强度因子,并拟合这些计算结果得出船舶肘板的应力强度因子计算式.结合裂纹扩展率单一曲线模型对肘板裂纹扩展寿命进行了预报,预报结果与实验结果符合得较好,说明所采用的方法可行.对建立船舶典型节点的裂纹扩展寿命预报方法有参考价值.     

基于三维理论的TC4ELI钛合金疲劳裂纹扩展研究

TC4ELI钛合金以其优异的力学和抗腐蚀性能广泛应用于深海耐压结构。在深海交变载荷作用下,钛合金结构的初始微缺陷易发生疲劳扩展,进而会导致灾难性破坏。因此,耐压结构逐渐采用损伤容限设计理念来保证安全。然而,传统的二维损伤容限设计理念过于保守,不利于三维深海耐压结构的轻量化设计。本文对TC4ELI钛合金的疲劳裂纹扩展进行了系统研究,发现在二维理论框架内材料的裂纹扩展速率依赖于试件厚度和应力比。而基于三维断裂理论,同种材料裂纹扩展速率与厚度和应力比无关。在此基础上,将得到的材料常数用于裂纹扩展模拟,实现了不同试件厚度和载荷下的疲劳寿命与裂纹尺寸的准确预测。     

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。     

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.     

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。