海洋工程结构疲劳新技术

1、深海工程研究中心深海工程研究中心 疲劳小组疲劳小组2014年年4月月LECTURE NOTES : Lecture Notes：Introduction 2引言引言疲劳问题数值模拟方法进展疲劳问题数值模拟方法进展疲劳问题试验方法进展疲劳问题试验方法进展提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施海洋工程中关于疲劳问题的相关规范简介海洋工程中关于疲劳问题的相关规范简介报告内容：报告内容： Lecture Notes：Introduction 3结构的疲劳破坏是一个极其复杂的过程，结构的疲劳破坏是一个极其复杂的过程，在微观层次上很难用严格的理论方法进行在微观层次上很难用严格的理论方法进行描述或模拟

2、。目前的疲劳分析方法基本都描述或模拟。目前的疲劳分析方法基本都是建立在宏观层次上的。一般分为两大类：是建立在宏观层次上的。一般分为两大类：一是基于一是基于Palmgren-Miner线性累积损伤线性累积损伤准则和准则和S-N曲线的疲劳累积损伤方法，一曲线的疲劳累积损伤方法，一般简称般简称S-N曲线法；一是基于曲线法；一是基于Paris-Erdogan裂纹扩展理论的断裂力学方法，裂纹扩展理论的断裂力学方法，一般简称断裂力学法。一般简称断裂力学法。1 内容：内容： Lecture Notes：Introduction 4S-N曲线法疲劳理论较为简单，可以避免对裂纹尖端场的应力分析，适合于裂纹生成寿

3、命在总寿命中占主要部分的结构，但结构中一般存在不可避免的微裂纹；断裂力学法可以更好地反映尺度效应，能为己存在裂纹的结构提供一个更准确的剩余寿命评估方法，但必须要有裂纹初始状态的形状参数，不确定因素比较多。最科学合理的方法是将这两种方法结合起来，但这样比较复杂，涉及到很多因素。由于每种因素都含有不确定性，这样就会导致最后的结果有很大的不确定性或离散性因此，目前还没有一个完全统一的疲劳分析方法。 Lecture Notes：Introduction 5结构在多级恒幅交变应力作结构在多级恒幅交变应力作用下总的疲劳损伤度用下总的疲劳损伤度D等于等于各应力范围水平下的损伤度各应力范围水平下的损伤度Di之

4、和之和疲劳累积损伤理论疲劳累积损伤理论kkiiiiinDDN Lecture Notes：Introduction 6工程中常用交变应力的应力工程中常用交变应力的应力范围范围S与结构在应力范围为与结构在应力范围为S的恒幅交变作用下达到疲劳的恒幅交变作用下达到疲劳破坏所需应力循环次数破坏所需应力循环次数N来来表示结构的疲劳强度表示结构的疲劳强度S-N曲线曲线 Lecture Notes：Introduction 7断裂力学方法断裂力学方法断裂力学建立以后，应用线弹性断裂力学的原理提出了多种裂纹扩展计算模型，1963年Paris和Erdogan将疲劳裂纹扩展率与应力强度因子幅值K联系起来，提出了

5、Paris-Erdogan 公式()mdaCKdN Lecture Notes：Introduction 8随着数值模型和仿真设计技术的发展，我们需随着数值模型和仿真设计技术的发展，我们需要做的最重要的工作就是精确估计疲劳参数，要做的最重要的工作就是精确估计疲劳参数，诸如三维的产生裂纹的物体的应力强度因子。诸如三维的产生裂纹的物体的应力强度因子。目前，对于简单的产生裂纹的几何物体，求得目前，对于简单的产生裂纹的几何物体，求得应力强度因子是比较容易的，但是对于任意形应力强度因子是比较容易的，但是对于任意形状物体来说，数值方法是模拟三维疲劳发展过状物体来说，数值方法是模拟三维疲劳发展过程的唯一途径

6、。目前，只有为数不多的数值方程的唯一途径。目前，只有为数不多的数值方法来模拟疲劳裂纹发展的过程，比较杰出的有法来模拟疲劳裂纹发展的过程，比较杰出的有有限元方法，边界元方法，有限差分法，位错有限元方法，边界元方法，有限差分法，位错分布法，扩展有限元方法。分布法，扩展有限元方法。 Lecture Notes：Introduction 92.1 位错分布法（位错分布法（Dislocation Distribution）疲劳裂纹是引起工件失效的一个重要原因，目前主要是基于断裂力学理论来解决这个问题，却无法从本质上解释疲劳裂纹扩展特性。但是现阶段基于断裂力学理论一般只是针对于疲劳裂纹扩展1阶段，对于扩展

7、的全程特性研究还不完善，从位错理论研究疲劳裂纹扩展特性有着重要意义。 Lecture Notes：Introduction 10疲劳裂纹扩展的根本原因主要还是由于裂纹尖端有位错的发射。用数学模型建立连续位错理论模型，建立合理的疲劳裂纹尖端位错模型是对裂纹尖端应力场进行计算的首要条件。运用Muskhelisgvili应力函数求得裂纹尖端应力，则可以求的裂纹尖端应变能密度以及整个应变能，可以将它等同于裂纹的势能。运用能量守恒的原理，可以求得疲劳裂纹扩展速率。从而对不同条件下的裂纹扩展速率有很好的预测。2.1 位错分布法（位错分布法（Dislocation Distribution） Lecture

8、 Notes：Introduction 11XFEM是在标准有限元框架下, 连续区域采用标准有限元方法, 在包含不连续边界的较狭窄的区域内,对有限元的位移近似函数进行修正，并增加了对不连续边界的描述方法。借助于对所研究问题的已有认识，在满足单位分解的前提下，在位移近似函数中增加了更能反映实际间断特性的函数项，提高了计算精度。同时，采用水平集方法LSM或快速推进法FMM描述间断界面，使间断的描述独立于有限元网格，避免了计算过程中的网格重构。2.2 扩展有限元方法扩展有限元方法 XFEM Lecture Notes：Introduction 12扩展有限元法的应用扩展有限元法的应用Daux等采用了

9、XFEM研究了二维分叉裂纹和多裂纹交叉问题，在采用裂纹面和裂尖富集函数的基础上，提出了在位移近似函数中增加反应裂纹分叉位置附近间断特性的联结函数。Sukumar等采用快速推进法研究了三维平面裂纹扩展问题，并在后续工作中逐步研究了多个平面裂纹的扩展问题及三维非平面裂纹扩展问题。未来，随着富集函数构造方式进步，混合单元处理方法的更加成熟，并且对其他数值方法的借鉴研究，扩展有限元方法一定会用途更加广泛。 Lecture Notes：Introduction 133.1 立管疲劳试验方法立管疲劳试验方法轴向拉伸疲劳试验法四点弯曲疲劳试验法旋转弯曲疲劳试验法共振弯曲疲劳试验法 Lecture Notes

10、：Introduction 旋转弯曲疲劳试验法的优点是简单高效，试件通过旋转弯曲可以保证试件外圈都达到交变应力峰值;缺点是在一端驱动的旋转弯曲试验机中，试样必须传送扭矩以克服轴承中的摩擦，因而试样中的应力并不是纯单向的，导致试验结果偏于保守。 Lecture Notes：Introduction 在试件一端施加旋转激励载荷，当旋转激励载荷的频率接近试件固有频率时试件发生共振，振动过程中试件截面出现交变应力，从而产生疲劳损伤。共振弯曲疲劳试验法 Lecture Notes：Introduction 164. 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施设计具有更高疲劳寿命的焊接接头形式,提高焊接质量以减少焊接缺陷改善焊趾几何形状,降低应力集中系数对疲劳性能较差的焊缝点进行相关处理调整残余应力场,使构件内部产生压缩应力 Lecture Notes：Introduction 174. 提高构件疲劳强度的措施提高构件疲劳强度的措施在规范中，对提高构建疲劳强度的措施焊缝外形修整焊趾打磨惰性气体保护钨极焊（TIG）熔修锤击 Lecture Notes：Introduction 185. 海洋工程中关于疲劳问题的相关规范简介海洋工程中关于疲劳问题的相关规范简