海浪作用下海洋鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展的計(jì)算

1、<p>　　海浪作用下海洋鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展的計(jì)算</p><p>　　摘要 ：采用基 于疲勞裂紋擴(kuò)展的疲勞壽命預(yù)報(bào)方法對海洋鋼結(jié)構(gòu) 的安全壽命進(jìn)行評估 ， 首先要解決變 幅載荷作 用下的裂紋擴(kuò)展率問題 ， 其次是復(fù)雜應(yīng)力場 中的應(yīng)力強(qiáng)度 因子計(jì)算問題 。文章將裂紋擴(kuò)展率單一曲線模 型結(jié)合 焊趾表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度 因子的計(jì)算方法來探 討復(fù)雜載荷作用下海洋鋼結(jié)構(gòu) 的疲 勞壽命 預(yù)報(bào)問題 。裂紋擴(kuò)展率 單一曲

2、線模型的思想是將任意載況下 的應(yīng)力強(qiáng)度 因子等效到 R =0 的應(yīng)力強(qiáng)度因子 ， 并假定超載不影響材料 的裂 紋擴(kuò)展率 ， 而足使等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅減小。使得復(fù)雜載荷下 的疲勞壽命 預(yù)報(bào)也僅需要對應(yīng) 于 R =0 時裂紋擴(kuò) 展率材料常數(shù) ， 從而解決復(fù)雜 載荷下裂紋擴(kuò)展率材料常數(shù)的確定 問題 。文 中給出了適合 海洋鋼結(jié)構(gòu) 的裂紋擴(kuò) 展率曲線 ， 焊趾表面裂紋應(yīng)力 強(qiáng)度 因子 以及殘余應(yīng)力弓 1起的應(yīng)力強(qiáng)度 因子 的計(jì)算方 法。 <

3、;/p><p>　　關(guān)鍵詞 ： 海洋鋼結(jié)構(gòu) ； 表面裂紋 ； 單一曲線模型 ；等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅；殘余應(yīng)力 ； 疲 勞壽命 </p><p>　　中圖分類號： TU391文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A </p><p><b>　　1引言 </b></p><p>　　因結(jié)構(gòu)不連續(xù)以及其 中的缺陷引起的應(yīng)力集中已成為焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要

4、原因， 成為焊接結(jié)構(gòu)失效的主要形式 ， 有資料表明， 疲勞破壞已占焊接結(jié)構(gòu)失效總數(shù)的 90％。 焊接接頭作為焊接結(jié)構(gòu)的主 要組成部分，由于存在高應(yīng)力梯度 、 應(yīng)力與應(yīng)變集中范圍大、 焊接殘余應(yīng)力 、 組織和力學(xué)性能不均勻 ， 并且在實(shí)際生產(chǎn)中不可避免存在焊接缺陷。 因此 ， 在變化載荷作用下， 經(jīng)常在接頭的薄弱部位 (焊趾處)萌 生疲勞裂紋。并且焊接結(jié)構(gòu)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(yīng)力集 中處 ， 少數(shù)起源于焊縫的

5、內(nèi)部較大的焊接缺陷。在循環(huán)應(yīng)力作用下，這些疲勞裂紋以及隨后的裂紋擴(kuò)展，當(dāng)其達(dá)到臨界尺寸， 構(gòu)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(kuò)展至斷裂。由于這些結(jié)構(gòu)不斷地向高參數(shù)化、 大型化發(fā)展，采用鋼的強(qiáng)度級別也越來越高，隨之而來的是它們對應(yīng)力集中的敏感性也在逐漸加大。高強(qiáng)度鋼的使用使得疲勞問題更為突出。統(tǒng)計(jì)表明目前世界有近半數(shù)的焊縫返修工作是不必要的，甚至是有害無益。重復(fù)焊接不但會改變接頭的組織和性能，有時還容

6、易產(chǎn)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(kuò)展率單一 曲線模型 </p><p>　　關(guān)于不同載荷作用下裂紋的擴(kuò)展率問題已有不少研究報(bào)道，有代表性的裂紋擴(kuò)展率模型就有幾個。本文作者曾對變幅載荷作用下結(jié)構(gòu)鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測時所用到的裂紋擴(kuò)展率模型中的 </p><p>　　材料參數(shù)的選取進(jìn)行 了研究，提出了等效

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

8、ris系數(shù)m是裂紋擴(kuò)展指數(shù)；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(shù)3，盧是通過材料裂紋擴(kuò)展率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得到的。通過對不同結(jié)構(gòu)鋼的裂紋擴(kuò)展率數(shù)據(jù)對比表明該模型能比其他方法更好地描述不同應(yīng)力比下的裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)。圖1-4列出了幾種典型的結(jié)構(gòu)鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展率數(shù)據(jù) ， 左圖為用原始測試數(shù)據(jù) ， 右圖為

9、用等效應(yīng)力強(qiáng)度因子幅表示的裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)，可以看到該模型能夠?qū)⒎稚⒍群艽蟮臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成集中在R=0曲線附近的一個窄帶內(nèi)，這也就是單一曲線模型的明顯優(yōu)勢之一。對于大多數(shù)海洋結(jié)構(gòu)鋼建議 </p><p>　　根據(jù)《 結(jié)構(gòu)中的缺陷可接受性評定指南》 一 BS7910t 9 1 推薦 的裂紋擴(kuò)展率表達(dá)式和收集到 的大量實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù) ’ 叫 整理成如 圖 5 (a)所示 ， 將這些數(shù)據(jù)用等效應(yīng)力強(qiáng)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(kuò)展率數(shù)據(jù) da ／ dN -A K 表示成 da ／ dN 一 △ K后集中分布在對應(yīng)于 R =O 裂紋擴(kuò) 展率曲線周圍。因此 ， 對于大多數(shù)結(jié)構(gòu)鋼的單一 曲線模型材料常數(shù) ， 在沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下推薦可采用的中值擴(kuò)展率曲線方程： </p><p>　　對于表面裂紋沿深度方向擴(kuò)展預(yù)報(bào)的裂紋擴(kuò)展率采用方程(11)或(12 )，對于沿表面方向的擴(kuò)展的預(yù)報(bào)， 由于表面處于平面

11、應(yīng)力狀態(tài) ， 裂紋擴(kuò)展率將相應(yīng)減小 ， 已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持如下結(jié)果 ， 即 ：擴(kuò)展率曲線方程 中的系數(shù)將做如下調(diào)整：288C=C(0．9)(13)由于表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算公式復(fù)雜 ， 同時考慮變幅載荷的影響， 難于用積分方法計(jì)算壽命因此， 一般采用cycle by cycle 方法進(jìn)行壽命計(jì)算。根據(jù)以上所列公式和方法，借助于計(jì)算機(jī)，編程進(jìn)行裂紋的疲勞壽命計(jì)算。 </p><p><b>　　4 討

12、論 </b></p><p>　　基于裂紋擴(kuò)展的疲勞壽命 預(yù)報(bào)方法需要知道材料的裂紋擴(kuò)展率 曲線方程及其方程中的材料常 數(shù)，以及應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算時涉及到的當(dāng)?shù)貞?yīng)力，初始裂紋形式和尺寸等。上面給出了基于裂紋擴(kuò)展率單一曲線模型的鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展預(yù)報(bào)模型的主要公式 。在實(shí)際 應(yīng)用中應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算可能要比本文涉及的表面裂紋的計(jì)算還要復(fù)雜， 也就是說不能直接套用公 式時 ， 則可用有限元等數(shù)值方法直接計(jì)算

13、應(yīng)力強(qiáng)度因子。 另外實(shí)際海洋鋼結(jié)構(gòu)所遭遇的疲勞載荷是隨機(jī)的，可以將時域分析得到的載荷系列作為輸入進(jìn)行疲勞計(jì)算 ， 如果得到的是頻域計(jì)算結(jié)果 ， 則可考慮將頻域結(jié)果轉(zhuǎn)換為隨機(jī)系列后作為輸入進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算 。 例如， 假定應(yīng)力范圍的長期分布為兩參 數(shù) W eibul1分布。計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍可采用兩種方法 ，一種是等效應(yīng)力法 ， 另一種則是按 W ei bul1 分布產(chǎn) 生滿 足 W eibul1分 布 的隨機(jī)數(shù) 列構(gòu)成名義應(yīng)力幅分布，

14、采用相應(yīng)的(單 邊裂紋或表面裂紋)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算公式計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子幅 AK ， 根據(jù)節(jié)點(diǎn)處的幾何參數(shù)計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度 因子放大系數(shù) ，計(jì)及焊接殘余應(yīng)力計(jì)算載荷 比R 和等效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍 </p><p><b>　　5結(jié) 論 </b></p><p>　　給出了變幅載荷作用下海洋鋼結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展率單一曲線模型及其材料常數(shù)推薦值 ， 同時給 出了焊接接頭處表面裂

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