疲劳寿命预报统一方法中的载荷次序问题研究

论文摘要

由于服役期间载况的变化和所处随机波浪环境的作用,疲劳破坏成为船舶与海洋结构物最主要的失效形式之一。复杂载荷作用在结构上往往会引发显著的载荷次序效应,对裂纹扩展的规律产生很大影响,使结构的疲劳寿命预报变得更加困难。所以,要准确预报结构的疲劳寿命必须充分考虑载荷次序效应的影响。然而,至今仍没有一个大家公认的模型能很好地解释和预报载荷次序效应对结构疲劳寿命的影响。本文主要的研究内容是基于统一方法的思想,建立考虑载荷次序效应的疲劳裂纹扩展逐周数值积分模型及其应用方法。其作为疲劳寿命预报统一方法工程应用的重要环节,具有重要的理论研究意义和工程应用价值。首先,本文在大量调研和消化国内外疲劳理论研究成果的基础上,基于部分裂纹闭合概念,建立了一个普遍适用于工程金属材料的常幅载荷裂纹扩展速率预报模型,并以此作为变幅载荷裂纹扩展速率预报模型的基础。目前,关于载荷次序对裂纹扩展影响的机理还没有完全搞清楚,本文认为载荷次序效应的本质原因是变幅载荷改变了裂纹张开应力水平,从而导致裂纹扩展驱动力发生改变。因此,通过引入一个载荷次序效应系数φ,对常幅载荷裂纹扩展速率预报模型中的裂纹张开水平项进行修正,使得模型能够考虑载荷次序对裂纹扩展的影响,从而将其适用范围推广到变幅载荷条件。然后,以改进的裂纹扩展速率预报模型为核心,建立疲劳裂纹扩展的逐周数值积分计算程序。模型参数是逐周数值积分计算程序的最主要输入项,如果其完全通过试验来确定需要消耗大量的时间和成本,这难以满足工程应用的要求。为此,本文对大量的模型参数的工程估算方法进行了归纳整理,并提出了利用材料拉伸曲线和各种不同类型的疲劳试验曲线来确定模型参数的方法。最后,理论预报结果与试验数据的对比验证了改进的裂纹扩展速率模型能够较好地预报常幅载荷作用下和单/多峰超载、低载、超载与低载联合作用以及块载等变幅载荷作用下的裂纹扩展速率。本文研究的创新点主要体现在以下三个方面:(1)采纳载荷次序效应本质上是由裂纹张开应力水平变化造成的观点,首次通过构造载荷次序效应系数对统一模型中裂纹张开水平下的应力强度因子大小进行修正,以反映不同载荷次序作用下的裂纹扩展驱动力的变化;(2)首次针对统一模型提出了解释超载迟滞、低载加速、超载紧接低载的轻微迟滞等载荷次序效应现象的基本方法,基于该方法建立了反映载荷次序作用的疲劳裂纹扩展逐周数值积分的基本流程;(3)系统归纳了疲劳裂纹扩展速率模型参数的工程估算方法,并提出了根据不同试验数据来估算模型参数的具体方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 船舶与海洋结构物疲劳研究的背景和意义
• 1.3 疲劳研究历史综述
• 1.3.1 疲劳累积损伤理论研究的产生与发展
• 1.3.2 疲劳裂纹扩展理论研究的产生与发展
• 1.4 疲劳在船舶与海洋工程领域的应用与发展
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 疲劳寿命预报统一方法的理论基础及发展现状
• 2.1 引言
• 2.2 疲劳寿命预报统一方法的理论基础
• 2.2.1 疲劳过程的三个阶段
• 2.2.2 疲劳裂纹扩展的影响因素
• 2.2.3 裂纹闭合理论
• 2.2.4 疲劳裂纹扩展速率预报模型
• 2.3 疲劳寿命预报统一方法的研究现状
• 2.3.1 双参数统一方法研究
• 2.3.2 单参数统一方法研究
• 2.4 小结
• 第三章 常幅载荷下裂纹扩展速率预报统一方法
• 3.1 引言
• 3.2 常幅载荷下疲劳裂纹扩展速率预报模型的建立
• 3.2.1 断裂韧性
• 3.2.2 裂纹张开处的应力强度因子
• 3.2.3 有效应力强度因子幅值门槛值
• 3.3 模型参数的工程估算
• IC'>3.3.1 由ΔK～da/dN 曲线估算K_IC
• effth'>3.3.2 由ΔK～da/dN 曲线估算ΔK_effth
• 3.3.3 估算A 和m
• 3.4 模型适用性的验证
• 3.4.1 铝合金
• 3.4.2 高强度钢
• 3.4.3 其它合金
• 3.5 小结
• 第四章 变幅载荷下裂纹扩展速率预报统一方法
• 4.1 引言
• 4.2 疲劳累积损伤理论
• 4.2.1 线性疲劳累积损伤理论
• 4.2.2 双线性疲劳累积损伤理论
• 4.2.3 非线性疲劳累积损伤理论
• 4.2.4 随机疲劳累积损伤理论
• 4.2.5 Miner 理论在裂纹扩展阶段的应用
• 4.3 统一方法中改进的裂纹扩展速率预报模型
• 4.3.1 变幅载荷下改进的裂纹扩展速率模型的建立
• 4.3.2 塑性区大小
• 4.3.3 裂纹扩展的逐周数值积分模拟
• 4.3.4 模型定性分析
• 4.4 改进的裂纹扩展速率预报模型验证
• 4.4.1 单峰超载和多峰超载
• 4.4.2 低载
• 4.4.3 超载与低载的组合
• 4.4.4 块载
• 4.5 结论
• 第五章 疲劳寿命预报统一方法应用的一般流程
• 5.1 引言
• 5.2 初始裂纹长度
• 5.3 循环计数法
• 5.4 由已知试验数据预报模型参数的基本方法
• 5.4.1 通过a～N 曲线预报模型参数的方法
• 5.4.2 通过S～N 曲线预报模型参数的方法
• 5.4.3 通过ε～N 曲线预报模型参数的方法
• 5.4.4 通过材料拉伸曲线估算模型参数的方法
• 5.5 算例
• 5.6 小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 详细摘要