FPSO结构疲劳裂纹扩展与焊接残余应力重新分布的相互作用

FPSO would sustain long-term fatigue load. Moreover, the problems of fatigue fracture are increased with the widespread use of high strength steel in FPSO structure, and it is usually unpredictable and disastrous once the accident happens. It brings some difficults for the assessment of fatigue life due to the complicated of welding residual stress and the lack of study of interaction between fatigue crack growth and redistribution of welding residual stress of offshore structure. Hence, firstly, a analysis model of initial welding residual stress field of typical welding structure with initical crack of high strength steel of FPSO structure is built in the project, and then based on the elastic plastic fracture mechanics，the rules of the change of the welding residulal stress of crack growth under different fatigue loads are studied. The mechanism of the redistribution and relaxation of welding residual stress under fatigue crack growth is discovered, and a calculation method of stress intensity factor considering the influence of the redistribution of welding residual stress is built. At last, considering the influence of the low cycle fatigue load and the redistribution of welding residual stress, a prediction method of fatigue crack growth life is obtained, meanwhile, it is verified by the experiments. Therefore, it could provide relative theoretical principle and new method for the study of fatigue safety and reliability of large complicated welded structure of ships and offshore structures in service.

FPSO在服役期内需要长期承受复杂的疲劳载荷作用。疲劳断裂问题会随着高强度钢在FPSO结构上的广泛使用而增加，其后果通常是不可预见和灾难性的。由于焊接残余应力分析的复杂性，目前，对疲劳裂纹扩展与焊接残余应力重分布和释放之间的相互作用缺乏了解，这对进行FPSO结构疲劳寿命的合理评估带来了困难。因此，本项目首先建立带有初始裂纹的FPSO高强度钢典型焊接结构初始残余应力场的分析模型，然后基于弹塑性断裂力学对在不同疲劳载荷模式作用下裂纹扩展中的焊接残余应力变化规律进行研究，揭示疲劳裂纹扩展过程中焊接残余应力重分布和释放机理，而后建立一种计及焊接残余应力重分布影响的应力强度因子计算方法，最后考虑低周疲劳载荷的影响，给出一套考虑焊接残余应力重分布影响的疲劳裂纹扩展寿命预报方法,并通过相关试验进行验证。本项目可为在役阶段大型船舶与海洋结构物复杂焊接结构的疲劳安全可靠性研究提供相关理论基础和新思路。

FPSO是由高强度钢焊接而成的大型海洋结构物，焊接接头局部会产生相变以及不均匀热塑性变形，因此形成了具有自平衡特性的焊接残余应力。FPSO在服役过程中需要长期承受不断循环的波浪载荷，焊接残余应力的存在会影响关键结构部位的热点应力，从而影响到结构的疲劳强度评估效果。另外，一般大型海洋钢结构物在焊趾处较易萌生表面裂纹，裂纹的产生会使焊接残余应力发生重分布。并且，在循环载荷作用下，裂纹会发生疲劳扩展，扩展过程中焊接残余应力的重分布又进一步对裂纹扩展产生影响。目前，国内外对于含初始裂纹结构的焊接残余应力的研究相对较少，且对于高强度钢裂纹扩展过程中焊接残余应力重分布的研究也鲜有文献发表。因此，对高强度钢焊接接头裂纹扩展过程中焊接残余应力重分布的研究成果，对于合理预报高强度钢焊接结构的疲劳强度具有重要的参考意义。. 本项目采用基于热-弹塑性相关理论以及疲劳裂纹扩展相关理论，在已有对FPSO焊接残余应力释放及对疲劳裂纹扩展寿命影响初步研究的工作基础上，对带有初始裂纹的高强度钢对接焊平板、高强度钢拉伸试样对接焊接接头以及FPSO典型焊接接头的残余应力场分布规律进行了计算，分析了高强度钢结构焊接残余应力重分布与疲劳外载荷和裂纹扩展之间的内在联系，揭示了疲劳裂纹扩展过程中焊接残余应力重新分布和释放规律，建立了考虑焊接残余应力重分布影响的FPSO高强度钢焊接结构应力强度因子计算方法和疲劳裂纹扩展寿命预报方法。本项目的研究不但可为大型FPSO等高强度钢复杂结构在服役阶段的安全性评估提供相关理论研究基础，而且可为其他高强度钢船舶与海洋工程结构物的疲劳强度分析提供新思路和新方法。