随机载荷作用下焊趾表面小裂纹扩展预报方法研究

Ships and Marine structures are mostly large welded structures which subjected random loadings induced by wind,wave and current. Most of its fatigue lives are consumed in small crack growth stage and the initial crack can be traced back to the wled toe in most cases.For predicting the fatigue life of ships and marine structures accurately,the crack growth prediction of a small crack at weld toe needs to be solved although it is still a difficult problem to predict the crack growth of a small crack especialy the small surface crack at weld toe under random loading.The aim of this project is to set up a fatigue life prediction method for ships and marine structures under random loading based on equivalent stress intensity factor range(SIFR) and unique crack growth rate curve model.The main research works are:1)study on the crack growth behaviours and the equivalent SIFR calculation method of small crack in complex stress distribution field.2)The fatigue crack growth prediction method of small crack at weld toe under random loading.3)The crack size measurement in surface crack growth test and experimental validation of the fatigue life prediction method of small crack at weld toe under random loading.The achievements of the project will be important for establishing a fatigue life prediction method based on crack growth for ships and marine structures in theoretical and experimental way.

船舶与海洋结构物大多为大型焊接结构，受到风、浪、流等随机外载荷的作用，其疲劳损伤主要以表面裂纹形式发源于焊接接头焊趾处，且小裂纹的扩展阶段占其疲劳寿命的主要部分。因此要准确预报船舶与海洋结构物的疲劳寿命，必须研究随机载荷作用下焊趾表面小裂纹的疲劳扩展特性及预报方法,但随机载荷作用下小裂纹尤其是焊趾表面小裂纹的疲劳扩展预报历来是个难题。本项目以与载荷历史相关的等效应力强度因子幅为裂纹驱动力，建立随机载荷作用下焊趾表面小裂纹扩展特性的单一曲线模型预报方法。主要研究内容为：1）复杂应力场中表面小裂纹扩展特性及其等效应力强度因子幅的计算方法；2）随机载荷作用下焊趾表面小裂纹扩展特性预报方法；3）表面裂纹扩展过程中裂纹尺寸测量方法及焊趾表面小裂纹扩展预报方法实验验证。为建立基于裂纹扩展的船舶与海洋结构物的疲劳寿命预报方法提供理论和实验支撑。

船舶与海洋结构物大多为大型焊接结构，受到风、浪、流等随机外载荷的作用，其疲劳损伤主要以表面裂纹形式发源于焊接接头焊趾处，且小裂纹的扩展阶段占其疲劳寿命的主要部分。随机载荷作用下小裂纹尤其是焊趾表面小裂纹的疲劳扩展预报历来是个难题。本项目以与载荷历程相关的等效应力强度因子幅为裂纹驱动力，建立随机载荷作用下焊趾表面小裂纹扩展特性的单一曲线模型预报方法。完成的主要研究内容为：1）复杂应力场中表面裂纹扩展特性及其等效应力强度因子幅的计算方法；2）随机载荷作用下焊趾表面裂纹扩展特性预报方法；3）表面裂纹扩展过程中裂纹尺寸测量方法及焊趾表面裂纹扩展预报方法实验验证。取得了复杂载荷作用下焊趾表面裂纹应力强度因子的数值计算方法和一些典型节点焊趾表面裂纹应力强度因子计算式，将单一曲线模型应用到某大型集装箱船典型节点的疲劳寿命预报。为建立基于裂纹扩展的船舶与海洋结构物的疲劳寿命预报方法提供理论和实验支撑。对焊趾表面裂纹扩展试验研究结果表明：对于未经打磨的焊缝焊趾处的表面裂纹初始尺寸选定为深度a=0.5mm，长度2c=3mm进行裂纹扩展预报，预报结果和试验符合较好，而对于焊缝或焊趾处进行打磨处理的焊接结构疲劳寿命预报，由于表面更为光顺且应力集中更小则表面裂纹初始尺寸应当更小，建议分为两段进行计算，从初始裂纹到0.5mm采用降低门槛值并对裂纹长度采用欧文修正得到裂纹当量长度进行计算，具体还需要进一步研究。当裂纹深度大于0.5mm后则和未打磨焊缝裂纹的计算方法相同。应当指出本项目采用电子照相技术检测小裂纹扩展方法只能测量裂纹表面尺寸，对于深度依然基于裂纹扩展形貌的假定，有待于进一步的试验验证；不同试件所得测试裂纹扩展数据离散性较大，因此上述建议的裂纹初始尺寸还需要得到更多的实验结果，尤其是工程结构实例的验证。全面完成所提的各项研究内容，达到预定的研究目标，部分成果已写入中国船级社2016“高强度钢超厚板结构基于断裂力学理论的疲劳强度计算指南”。