海浪作用下海洋鋼結構疲勞裂紋擴展的計算

1、<p>　　海浪作用下海洋鋼結構疲勞裂紋擴展的計算</p><p>　　摘要 ：采用基 于疲勞裂紋擴展的疲勞壽命預報方法對海洋鋼結構 的安全壽命進行評估 ， 首先要解決變 幅載荷作 用下的裂紋擴展率問題 ， 其次是復雜應力場 中的應力強度 因子計算問題 。文章將裂紋擴展率單一曲線模 型結合 焊趾表面裂紋應力強度 因子的計算方法來探 討復雜載荷作用下海洋鋼結構 的疲 勞壽命 預報問題 。裂紋擴展率 單一曲

2、線模型的思想是將任意載況下 的應力強度 因子等效到 R =0 的應力強度因子 ， 并假定超載不影響材料 的裂 紋擴展率 ， 而足使等效應力強度因子幅減小。使得復雜載荷下 的疲勞壽命 預報也僅需要對應 于 R =0 時裂紋擴 展率材料常數 ， 從而解決復雜 載荷下裂紋擴展率材料常數的確定 問題 。文 中給出了適合 海洋鋼結構 的裂紋擴 展率曲線 ， 焊趾表面裂紋應力 強度 因子 以及殘余應力弓 1起的應力強度 因子 的計算方 法。 <

3、;/p><p>　　關鍵詞 ： 海洋鋼結構 ； 表面裂紋 ； 單一曲線模型 ；等效應力強度因子幅；殘余應力 ； 疲 勞壽命 </p><p>　　中圖分類號： TU391文獻標識碼： A </p><p><b>　　1引言 </b></p><p>　　因結構不連續(xù)以及其 中的缺陷引起的應力集中已成為焊接結構疲勞破壞的主要

4、原因， 成為焊接結構失效的主要形式 ， 有資料表明， 疲勞破壞已占焊接結構失效總數的 90％。 焊接接頭作為焊接結構的主 要組成部分，由于存在高應力梯度 、 應力與應變集中范圍大、 焊接殘余應力 、 組織和力學性能不均勻 ， 并且在實際生產中不可避免存在焊接缺陷。 因此 ， 在變化載荷作用下， 經常在接頭的薄弱部位 (焊趾處)萌 生疲勞裂紋。并且焊接結構中的疲勞裂紋大多起源于焊接接頭表面幾何不連續(xù)引起的應力集 中處 ， 少數起源于焊縫的

5、內部較大的焊接缺陷。在循環(huán)應力作用下，這些疲勞裂紋以及隨后的裂紋擴展，當其達到臨界尺寸， 構件剩余斷面不足以承受外載荷時 ， 裂紋突然發(fā)生沒有 明顯塑性變形的失穩(wěn)擴展至斷裂。由于這些結構不斷地向高參數化、 大型化發(fā)展，采用鋼的強度級別也越來越高，隨之而來的是它們對應力集中的敏感性也在逐漸加大。高強度鋼的使用使得疲勞問題更為突出。統(tǒng)計表明目前世界有近半數的焊縫返修工作是不必要的，甚至是有害無益。重復焊接不但會改變接頭的組織和性能，有時還容

6、易產生裂紋、氣孔、夾渣等新的焊接缺陷。其后果是成本</p><p>　　2 變幅載荷作用下裂紋擴展率單一 曲線模型 </p><p>　　關于不同載荷作用下裂紋的擴展率問題已有不少研究報道，有代表性的裂紋擴展率模型就有幾個。本文作者曾對變幅載荷作用下結構鋼的疲勞裂紋擴展壽命預測時所用到的裂紋擴展率模型中的 </p><p>　　材料參數的選取進行 了研究，提出了等效

7、應力強度因子概念和單一裂紋擴展率曲線模型， 該模型的思路是將任意載荷 比下的裂紋擴展率等效到應力 比等于 0 的裂紋擴展率 ， 使得在變幅載荷作用下的疲勞 計算中只需知道任意一組裂紋擴展率實驗數據就可以確定裂紋擴展率常數，且只需要對應于R=0的裂紋擴展率材料常數。裂紋擴展率單一曲線模型表示為 </p><p>　　其中AK，AK伽是相當于應力R=0時的等效應力強度因子幅和應力強度因子幅門檻值(MP、／)；c是Pa

8、ris系數m是裂紋擴展指數；是載荷比的修正因子， </p><p>　　是超載修正因子 ， 不考慮超載的影響時Mp=1。 </p><p>　　(3)式中的常數3，盧是通過材料裂紋擴展率實驗數據的分析得到的。通過對不同結構鋼的裂紋擴展率數據對比表明該模型能比其他方法更好地描述不同應力比下的裂紋擴展數據。圖1-4列出了幾種典型的結構鋼的疲勞裂紋擴展率數據 ， 左圖為用原始測試數據 ， 右圖為

9、用等效應力強度因子幅表示的裂紋擴展數據，可以看到該模型能夠將分散度很大的數據轉換成集中在R=0曲線附近的一個窄帶內，這也就是單一曲線模型的明顯優(yōu)勢之一。對于大多數海洋結構鋼建議 </p><p>　　根據《 結構中的缺陷可接受性評定指南》 一 BS7910t 9 1 推薦 的裂紋擴展率表達式和收集到 的大量實 驗數據 ’ 叫 整理成如 圖 5 (a)所示 ， 將這些數據用等效應力強度因子表示為圖 5 (b)所示

10、， 從 中可以看 到原來分散度很大的裂紋擴展率數據 da ／ dN -A K 表示成 da ／ dN 一 △ K后集中分布在對應于 R =O 裂紋擴 展率曲線周圍。因此 ， 對于大多數結構鋼的單一 曲線模型材料常數 ， 在沒有實驗數據的情況下推薦可采用的中值擴展率曲線方程： </p><p>　　對于表面裂紋沿深度方向擴展預報的裂紋擴展率采用方程(11)或(12 )，對于沿表面方向的擴展的預報， 由于表面處于平面

11、應力狀態(tài) ， 裂紋擴展率將相應減小 ， 已有的實驗數據支持如下結果 ， 即 ：擴展率曲線方程 中的系數將做如下調整：288C=C(0．9)(13)由于表面裂紋應力強度因子計算公式復雜 ， 同時考慮變幅載荷的影響， 難于用積分方法計算壽命因此， 一般采用cycle by cycle 方法進行壽命計算。根據以上所列公式和方法，借助于計算機，編程進行裂紋的疲勞壽命計算。 </p><p><b>　　4 討

12、論 </b></p><p>　　基于裂紋擴展的疲勞壽命 預報方法需要知道材料的裂紋擴展率 曲線方程及其方程中的材料常 數，以及應力強度因子計算時涉及到的當地應力，初始裂紋形式和尺寸等。上面給出了基于裂紋擴展率單一曲線模型的鋼結構疲勞裂紋擴展預報模型的主要公式 。在實際 應用中應力強度因子的計算可能要比本文涉及的表面裂紋的計算還要復雜， 也就是說不能直接套用公 式時 ， 則可用有限元等數值方法直接計算

13、應力強度因子。 另外實際海洋鋼結構所遭遇的疲勞載荷是隨機的，可以將時域分析得到的載荷系列作為輸入進行疲勞計算 ， 如果得到的是頻域計算結果 ， 則可考慮將頻域結果轉換為隨機系列后作為輸入進行疲勞壽命計算 。 例如， 假定應力范圍的長期分布為兩參 數 W eibul1分布。計算應力強度因子范圍可采用兩種方法 ，一種是等效應力法 ， 另一種則是按 W ei bul1 分布產 生滿 足 W eibul1分 布 的隨機數 列構成名義應力幅分布，

14、采用相應的(單 邊裂紋或表面裂紋)應力強度因子計算公式計算應力強度因子幅 AK ， 根據節(jié)點處的幾何參數計算應力強度 因子放大系數 ，計及焊接殘余應力計算載荷 比R 和等效應力強度因子范圍 </p><p><b>　　5結 論 </b></p><p>　　給出了變幅載荷作用下海洋鋼結構的疲勞裂紋擴展率單一曲線模型及其材料常數推薦值 ， 同時給 出了焊接接頭處表面裂

15、紋應力強度因子計算的一般形式， 考慮 了焊接殘余應力的影響以及殘余應力引起 的應力強度 因子的計算方法。使得海洋鋼結構疲勞裂紋擴展問題 的計算不再停留在 Paris 公式線性 裂紋擴展階段 ， 而是能處理更為復雜的情況 ， 包括 門檻值和應力 比的影響等 。本文模型作為一般方法 可以用于其他結構 的基于斷裂力學方法的安全壽命評估。 致謝 ： 本文是在江蘇省創(chuàng)新學者攀登項 目“ 海洋結構物疲勞壽命統(tǒng)一方法研究” (BK 2008004 )