船用双相不锈钢焊接结构疲劳性能研究

文章对船用双相不锈钢焊接结构的焊缝、影响区和母材在不同应力比下分别进行了疲劳裂纹扩展实验,同时利用有限元分析软件进行了数值模拟,得到了裂纹扩展速率da/dN与应力强度因子ΔK的关系曲线。研究结果表明:船用双相不锈钢焊接结构中焊缝裂纹扩展速率最低,抗疲劳裂纹扩展能力最高;母材疲劳裂纹扩展速率最高,抗疲劳裂纹扩展能力最差;焊缝对应力变化的灵敏度最高,热影响区次之,母材最弱;通过实验与模拟对比分析,表明数值模拟对船用双相不锈钢疲劳裂纹扩展速率定量分析是正确的且方法可行。     

厚钢板疲劳裂纹扩展前缘应力状态试验与数值仿真

复杂的环境载荷不可避免地会造成海洋结构物的疲劳损伤,而高强度厚钢板典型的三向应力状态会增加结构脆性,更加缩短结构的疲劳寿命。为研究厚板裂纹前缘应力状态沿板厚方向的分布,完成了3组36 mm板厚Q370QE高强度钢的标准疲劳裂纹扩展速率试验,得到了材料参数C,m以及应力强度因子门槛值。接着,应用有限元方法分别基于线弹性分析和塑性分析计算裂纹尖端应力强度因子和裂纹尖端局部约束因子,并解释试验中裂纹前缘由倾斜趋于平直的现象。计算所得裂纹尖端应力强度因子可描述板厚中心部分裂纹前缘的应力状态,但在试件表面处结果失真,而裂纹前缘局部约束因子因考虑了厚板的厚度效应,故沿板厚方向分布的裂纹尖端局部约束因子可有效量化裂纹尖端的应力状态分布。     

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。     

海上采油平台桩腿同时存在腐蚀与疲劳损伤时的寿命预测

介绍了在海水腐蚀环境中的疲劳寿命试验,给出了试验得出的S-N曲线及da/dN-△K曲线,得出了服役海上平台的桩腿的疲劳损伤计算方法.考虑了海水中的均匀腐蚀损伤及点蚀损伤,给出了这些腐蚀损伤的计算方法.根据疲劳与蚀损伤的综合评价,给出了桩腿寿命的预测方法.     

焊接缺陷对铝合金板架疲劳寿命影响的试验分析

[目的]为研究焊接缺陷对铝合金板架结构疲劳寿命的影响,[方法]首先,利用X射线对2种节点形式的铝合金板架试件焊缝部位进行拍照,筛选出含与不含焊接缺陷的铝合金板架,并通过对X射线图像的分析得到铝合金焊接缺陷的主要类型;然后,在不同载荷作用下,对含与不含焊接缺陷的2种铝合金板架试件开展疲劳试验,以获得铝合金板架的疲劳寿命;最后,运用ABQUAS软件建立含3种焊接缺陷的板架试件的局部仿真模型,分析和揭示含焊接缺陷板架结构失效产生的机理。[结果]试验结果表明:含焊接缺陷的试件失效是由于焊缝端部缺陷处出现裂纹,扩展后导致纵骨腹板发生断裂;而不含焊接缺陷的试件失效与节点形式有关,均是在循环载荷作用下纵骨面板失效产生疲劳裂纹,扩展到腹板后导致纵骨发生断裂。[结论]研究成果可为铝合金焊接结构的疲劳寿命评估及焊接缺陷对疲劳寿命的影响提供参考。     

HTS-A钢对接接头的双轴疲劳试验研究

开展了HTS-A钢对接焊接试件的双轴疲劳试验.通过一组试件在纵向受弯和垂向受压循环载荷作用下的试验研究,得到了不同双轴载荷比情况下的试件断口形式及疲劳寿命.根据试验过程中记录的裂纹扩展数据,回归了不同载荷比情况下的Paris公式,从而推算裂纹扩展寿命.进而通过总寿命减去裂纹扩展寿命得到裂纹的萌生寿命.结果表明,垂向循环压力载荷缩短了试件的疲劳寿命,且对萌生寿命的影响大于对扩展寿命的影响.     

船用可焊铝合金焊接接头的疲劳及裂纹扩展试验分析

本文给出了一种适用于高性能舰船的艇体结构可焊接铝合金四种常用典型焊接接头的S-N曲线及母材、焊材的裂纹扩展试验结果。 本文采用了“最大或然原理”和“含越出试件的Weibull概率作图法”两种方法进行p-S-N曲线统计分析。 本文分别用三种不同方法计算da/dN和AK值,并进行了比较。本文较详细地叙述了da/dN-AK曲线各参数的分析方法。文中还将试验结果与国外资料进行了比较。     

低温下HTS-A钢疲劳裂纹扩展速率预报方法研究

针对低温下船用HTS-A钢的疲劳裂纹扩展行为,本文采用25 mm厚HTS-A钢CT试样为研究对象,开展常温及不同低温环境下疲劳裂纹扩展试验。在试验研究的基础上,提出包含温度项的改进McEvily公式的低温疲劳裂纹扩展预报方法。结果表明：随着温度的降低,HTS-A钢的疲劳裂纹扩展速率逐渐降低。在-60℃时,HTS-A钢的低温疲劳裂纹扩展速率没有出现低温脆断,试验结果可为船用HTS-A钢低温疲劳设计提供数据参考。同时,分别采用本文HTS-A钢低温试验数据和文献中的钛合金低温试验数据验证低温疲劳裂纹扩展速率预报方法的合理性及正确性,该方法可用于预报不同低温环境下金属疲劳裂纹扩展速率。     

残余元素锡对齿轮钢疲劳性能的影响

利用疲劳试验机,研究了残余元素Sn对20Cr Mn Ti钢疲劳裂纹扩展速率以及疲劳寿命的影响,同时利用扫描电镜分析断口形貌,结果表明:当ΔK33.35 MPa·m1/2、w(Sn)为0.05%时裂纹扩展速率稍高,当ΔK33.35 MPa·m1/2、w(Sn)为0时裂纹扩展速率稍高,然而两者扩展速率总体差别不大,可认为一致;w(Sn)为0或0.05%时,疲劳裂纹扩展断口形貌均为准解理断裂+少量韧窝,无明显差别.不含Sn及含0.05%Sn时,疲劳寿命分别为4.0×104周次、4.1×104周次,断口分析表明,疲劳源区均在试样表面,疲劳区均未出现疲劳条纹,瞬断区均呈韧窝状断口形貌,无明显区别.即当w(Sn)≤0.05%时,对20Cr Mn Ti钢疲劳性能没有明显影响.     

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.     

试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率影响的试验

为研究试样厚度对船用钢疲劳裂纹扩展速率的影响,设计并实施两组不同厚度的紧凑拉伸试样进行疲劳裂纹扩展速率试验,同时建立了三维疲劳裂纹扩展有限元模型,分别基于线弹性理论和弹塑性理论对应力强度因子进行了计算,并分析了试样厚度对裂纹扩展速率的影响。试验与计算结果的综合分析表明：相同应力水平下,薄试样裂纹尖端的塑性区明显大于厚试样,且裂纹尖端应力强度因子值大于理论经验计算结果可达23.25%,因此,在材料裂纹扩展速率试验前,特别是试样厚度尺寸较小时,应充分考虑试样的厚度效应,参考基于弹塑性理论计算得到的应力强度因子结果,同时有必要针对当前试样及材料进行专门的裂纹扩展速率试验,以得到准确裂纹扩展参数结果。     

Fatigue resistance of welded steel tubular X-joints

High-cycle fatigue experiments are performed on welded tubular steel X-joints, with braces and chord of equal diameter. They are scaled-down joints, used extensively in offshore wind platforms. Three different welding procedures are considered in specimen fabrication: manual, fully-automatic and manual with HFMI post-weld treatment. Τwo possible locations for crack initiation were identified: chord “crown” and “in-between location”, also verified by numerical calculations and fractography of failed specimens. Monotonic loading tests on fatigue-cracked specimens showed good performance in terms of ultimate strength and deformation capacity, despite the presence of through-thickness cracks. The results are compared with predictions from relevant design standards.     

Fatigue crack growth under mixed mode I + III loading

Mixed mode I + III fatigue crack growth is studied numerically and experimentally by using modified CT specimen. Some parameters such as initial angle and initial length of crack, thickness and load ratios can affect the fatigue behaviors. The crack growth path and surface, crack front length, variations of stress intensity factors, twisting of crack surface and fatigue lives were determined by using Franc3d and compared with experimental data. By increasing angle and length of initial crack, mode I effects decrease while mode III effects increase. Mode II of the fracture is almost negligible for the modified CT specimen.     

压力容器接管区应变分布模拟试样(ECT)的低周疲劳裂纹扩展

设计了一种含局部减薄半椭圆缺口的紧凑拉伸试样(ECT),以模拟压力容器接管区结构,并对16MnR钢的ECT试样进行了不同应力比的恒幅低周疲劳裂纹扩展试验.结果表明:ECT试样具有类似压力容器接管区的高应变分布场;低周疲劳裂纹扩展速率与由线积分定义计算的循环J积分,△J在双对数坐标中呈良好线性相关,且回归的材料参数与相同材质的高周疲劳试验获得的Paris常数基本一致.     

Crack growth direction effects on corrosion-fatigue behaviour of offshore wind turbine steel weldments

In this study corrosion-fatigue tests have been conducted on fracture mechanics specimens extracted from an S355 G10+M structural steel welded plate. The tests have been performed on compact tension specimens with the crack tip located in the heat affected zone. The corrosion-fatigue test results from this study have been compared with the data available on the base metal as well as air tests on the same material. Moreover, the obtained results have been compared with the corrosion-fatigue data available in the literature on a wide range of steels and also the fatigue trends for welded joints in free-corrosion condition recommended in the BS7910 Standard. The effect of the specimen orientation, with respect to the weld region, is also examined in this study and it has been found that higher corrosion-fatigue crack growth rates are generally observed in the tests with 0° orientation. The results have also shown that the corrosive environment has significant effects on the fatigue crack growth acceleration at the beginning of the tests; however, as the crack propagates, the environmental damage effect on crack growth behaviour becomes less pronounced. The results presented in this study are discussed in terms of improvement in the structural integrity assessment of offshore wind turbine monopiles.     

低周疲劳载荷下考虑累积塑性的船舶裂纹板剩余极限强度研究

研究表明在恶劣海洋环境中船体结构整体断裂破坏往往是低周疲劳破坏和累积塑性破坏的耦合结果。考虑这两者耦合作用的影响,评估船体结构的极限承载力更为实际。基于累积塑性和低周疲劳裂纹扩展,从理论上分析了平面内低周疲劳载荷下裂纹板的残余极限强度。经过一系列数值模拟,首先讨论低周疲劳裂纹扩展行为的影响,然后随着疲劳裂纹扩展的发展,主要讨论了初始变形,焊接残余应力,裂纹扩展长度,裂纹分布和裂纹板厚度对低周疲劳载荷下船体裂纹板极限强度的影响。     

疲劳载荷作用下焊接点三维线弹性弯曲裂纹路径预测

利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下结构线弹性裂纹的弯曲扩展问题并求解了三维动态应力强度因子.利用二阶摄动方法研究了疲劳载荷作用下裂纹路径预测时的应力准则与能量准则之间的关系.就均匀物质而言,在二阶摄动分析理论的框架内,两种准则指明了相同的三维疲劳弯曲裂纹扩展路径.但在具有非均匀断裂韧度的物质中,能量准则优越于应力准则.作为二阶摄动方法的实际运用,研究了焊接结构中疲劳线弹性裂纹的形态特征和弯曲扩展路径问题,综合考虑了诸如远场动态作用应力、焊接残余应力、局部物质衰变以及不同尺寸的缺陷的存在等因素,绘制出疲劳载荷作用下退化区域中裂纹弯曲扩展的临界轨迹曲线.     

考虑塑性损伤的船体裂纹板低周疲劳裂纹扩展行为研究

船舶结构的扩展断裂失效往往是低周疲劳破坏和累积递增塑性破坏耦合作用的结果,疲劳裂纹的扩展就是裂纹尖端前缘材料刚度不断降低延展性不断耗失而逐渐分离的结果.基于弹塑性断裂力学理论,文章提出了考虑累积塑性损伤的低周疲劳裂纹扩展速率预测模型.通过低周疲劳裂纹扩展试验拟合出模型相关材料参数并验证预测模型的合理性.通过系列有限元计算对平均应力及应力幅值的影响因素进行了数值分析.该模型的计算结果与已有实验结果基本吻合;对合理预估船体裂纹板的常幅低周疲劳裂纹扩展寿命有重要意义.     

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。     

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。