破损舰体结构疲劳裂纹扩展及剩余寿命研究.pdf

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1、第14卷第10期20lO年10月船舶力学JoumalofShipMecharIicsVoLl4No．10Oct．2010文章编号：lOar7—7294(2010)lO一115l-0r7破损舰体结构疲劳裂纹扩展及剩余寿命研究刘燕红1，朱锡1，蒙上阳2，张立军1(1海军工程大学船舶与动力学院，武汉430033；2中国人民解放军6396l部队，北京100012)摘要：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，利用蹦s准则得出裂纹

2、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。关键词：舰体结构；裂纹扩展速率；应力强度因子中图分类号：U668．1文献标识码：AFatiguecrackpropagationandresidualIifepredictionofdamagedshipstructuresLlUY吼一b唱1，zHUx子，MENGshnng_y吼92，zHANGL玛u心(1SchoolofNavalAI℃hitecttlm粕dP

3、ower，NavalUnive瑁蚵ofEngineering，Wuhan430033，Chim；2PLA’rm叩8“6396l，Beijing10012，Chi眦)Abstmct：Using907Asteelplatespecimens而mVt)，pegap，tlletensilefatiguetestw嬲completedandtheruleoff缸iguecrackpmpagationw船researched．B∞edonsingularelementmetllodstI．essintensit)rf砬torofplatespecim

4、ensw船calculated，therelationbetweencmckpropagationrateandZ恹：w鹊舀VenaccordingtoPaIis11lle．Thef撕guecrackpropagationmodelw鹊oH-eredfbranaJyzingandpredictingcrackpropaga—tionsituationaIldtheremainingl溉鹊sessmentofdamagedwarshipinwaves．ne陀鹪onabilityofthemethodw船demonstratedbytheca

5、lculationex锄ple0f80mewarship．Keywords：huUstmcture；cmckpmpagationrate；stressintensit)rfactor1前言结构构件在交变载荷作用下，尽管最大工作应力低于其材料屈服极限，结构构件也会产生破坏，这是因为在较长时期的交变载荷作用下，构件表面就会产生微裂纹，并逐渐扩展到临界尺寸后导致低应力脆断。如果构件表面或内部原来就存在裂纹，则构件裂纹就会在交变载荷作用下产生疲劳扩展。由碰撞、搁浅、战争等各种原因引起的破损舰船结构的疲劳问题十分突出，在波浪载荷及其引起的结构内部交

6、变应力作用下，破口处的裂纹会进一步加速扩展，降低舰船的生命力，甚至引起横向断裂倾覆的危险。目前，对破损船舶剩余总纵强度和极限承载能力研究较多il-21，而对疲劳剩余强度研究较少，因此，研究破损舰船的疲劳裂纹扩展规律，使舰船在返回安全目的地前不发生灾难性事故，这对于破损后舰船的生命力研究具有重要意义。收稿日期：2010—02—02修回日期：2010一06—02作者简介：刘燕红(1970_)，女，讲师，博士生，主要研究方向为船舶与海洋工程结构力学，E—mil：yygbb@126．com。1152船舶力学第14卷第lO期完整船舶疲劳强度及疲劳强

7、度校核研究多基于S—N曲线方法【卅，而破损舰船疲劳裂纹扩展研究采用断裂力学方法，该方法基于利用几个参数(例如弹性能释放率G、裂纹尖端的裂纹表面张开位移量COD、．，积分和应力强度因子等)建立描述疲劳裂纹扩展速率的模型，主要内容包括初始裂纹扩展、临界裂纹尺寸的确定，达到临界尺寸前裂纹的扩展行为等l跏。SumiM考虑焊接、三维结构节点的复杂应力分布及结构冗余后，预报了疲劳裂纹路径、舰船结构疲劳裂纹扩展和剩余寿命评估。国内黄小平和石德新等嗍用980高强钢作试件，研究了焊趾处预制表面裂缝、压弯组合应力为特征的疲劳载荷作用下表面裂纹的疲劳行为，给出

8、了高强钢焊趾表面裂纹在压弯组合应力下应力强度因子及其疲劳寿命计算式。本文进行了预制缺口的907A平板裂纹扩展试验研究，采用奇异单元法计算裂纹尖端应力强度因子，建立了舰体常用结构疲劳扩展模型，从