船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞斷裂分析研究現(xiàn)狀

2016-12-21  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

由船海工程的發(fā)展趨勢,進(jìn)而引出疲勞裂紋分析在船海工程中;簡述了疲勞分析以及斷裂力學(xué)的研究現(xiàn)狀以及存在的一些問題,淺談對將來發(fā)展趨勢的一些看法;然后過渡到當(dāng)前的研究方法,即主要為數(shù)值計算方法;對當(dāng)前數(shù)值計算的具體方法進(jìn)行了概括,并淺談發(fā)展趨勢;列舉了兩個具體例子,即斷裂力學(xué)原理在疲勞分析中的應(yīng)用。

1. 引言

海洋產(chǎn)業(yè)作為未來世界經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一,發(fā)展?jié)摿Ψ浅＞薮?世界海洋產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值逐年大幅上升。其中,隨著能源問題的日益突出,海洋油氣開發(fā)將是海洋工程最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。并且,在發(fā)展船舶與海洋工程的同時,由于其技術(shù)關(guān)聯(lián)度大,技術(shù)含量高,可帶動相關(guān)行業(yè)的科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此,船海工程有相當(dāng)廣闊的發(fā)展前景。

當(dāng)前,船舶與海洋工程發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下方面。其一,船舶發(fā)展趨勢是大型化、高速化。技術(shù)性能的不斷提升促進(jìn)了船舶運(yùn)載能力和航速的大幅提高,由此船舶經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性明顯提高。其二,設(shè)計方法不斷進(jìn)步,現(xiàn)代造船模式取代傳統(tǒng)造船模式,建造技術(shù)裝備也在不斷發(fā)展。其三,海洋工程裝備深水化。國外從事海洋工程開發(fā)已有一百多年的歷史,積累了豐富的經(jīng)驗。發(fā)達(dá)國家研究的一些深海探測器可達(dá)水深已超過萬米。

船海工程蓬勃發(fā)展,船海結(jié)構(gòu)物發(fā)生事故的幾率也大大增加。大型遠(yuǎn)洋船舶發(fā)生海損事故已是屢見不鮮。海洋環(huán)境復(fù)雜多變,海浪、大風(fēng)、潮流、冰雪、海水腐蝕、地震、微生物、碰撞事故等,都會對海洋平臺等結(jié)構(gòu)物造成極大的破壞。更重要的是,船海工程結(jié)構(gòu)物主要采用焊接工藝,由于焊接工藝的特點,焊縫本身不可避免地存在各種缺陷。在各種交變載荷的作用下,這些應(yīng)力集中區(qū)更有可能發(fā)生疲勞破壞,造成災(zāi)難性的事故。因此,疲勞斷裂分析的理論及應(yīng)用領(lǐng)域和形式的發(fā)展就顯得非常關(guān)鍵。

2. 疲勞分析發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 基本概念

載荷值隨時間作周期性或非周期性變化的載荷成為交變載荷,由于載荷的變化使試件或構(gòu)件的材料內(nèi)產(chǎn)生隨時間變化的交變應(yīng)力與交變應(yīng)變。經(jīng)足夠的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)作用后,損傷累計可使試件或結(jié)構(gòu)材料產(chǎn)生裂紋,直至疲勞破壞。試件抵抗疲勞失效的能力成為材料的疲勞強(qiáng)度;結(jié)構(gòu)抵抗疲勞失效的能力成為結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

疲勞失效有以下特征:疲勞破壞是一個累積損傷的過程,其失效過程都經(jīng)歷裂紋萌生、擴(kuò)展和瞬時斷裂三個階段。不論構(gòu)件是脆性材料還是塑性材料,疲勞破壞在宏觀上常表現(xiàn)為無明顯塑性變形的突然斷裂,斷口為脆性斷口。疲勞斷口可以看到明顯的裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)(光滑斷面)和瞬時斷裂區(qū)(粗糙斷面)。

在工程中應(yīng)用的疲勞分析方法可以分為三大類:S-N曲線法、斷裂力學(xué)方法以及可靠性分析方法。

2.2 S-N曲線法、斷裂力學(xué)方法

經(jīng)典的疲勞分析方法基于S-N曲線和Palmgren-Miner線性累積損傷準(zhǔn)則,用循環(huán)應(yīng)力范圍或塑性應(yīng)變范圍或總應(yīng)變范圍來描述疲勞破壞壽命。與S-N曲線法不同,疲勞分析的斷裂力學(xué)方法以“損傷容限”原理作為設(shè)計基礎(chǔ)。這個基本前提是認(rèn)為損傷為一切工程構(gòu)件所固有。疲勞壽命則定義為主裂紋從原始尺寸擴(kuò)展到某一臨界尺寸所需的疲勞循環(huán)次數(shù)或時間。采用斷裂力學(xué)方法時,需要應(yīng)用斷裂力學(xué)的裂紋擴(kuò)展經(jīng)驗規(guī)律。自從具有里程碑意義的PARIS公式提出之后,基于裂紋擴(kuò)展規(guī)律的疲勞分析理論得到了長足的發(fā)展。

這兩種方法各有優(yōu)缺點。S-N曲線法可以避免裂紋尖端復(fù)雜應(yīng)力場的分析,斷裂力學(xué)方法則可更好的反映尺度效應(yīng)以及可以對一個已有的裂紋提供一個更精確的剩余壽命估算方法。S-N曲線法和斷裂力學(xué)方法在工程中得到了廣泛的應(yīng)用,成為兩種相互補(bǔ)充的基本方法。

2.3 可靠性分析方法

以上這兩種方法都是在確定意義上使用的,在分析過程中,有關(guān)的參量的都認(rèn)為是有確定數(shù)值。而實際上,工程中涉及到疲勞的有關(guān)因素都是隨機(jī)的。比如,載荷、材料的隨機(jī)性等。為此,可靠性方法開始被用來進(jìn)行壽命評估。在該理論中,影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的不確定因素都用隨機(jī)變量或者隨機(jī)過程來描述。一個結(jié)構(gòu)的的疲勞壽命合格與否,用服役期內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞的概率來衡量。對于受大量不確定因素影響的工程結(jié)構(gòu)的疲勞問題,用結(jié)構(gòu)疲勞可靠性理論來加以研究是非常適當(dāng)?shù)摹?/span>

雖然疲勞可靠性方法從理論上是最完善的,可以更合理的描述實際結(jié)構(gòu)中的各種不確定因素,等價符合客觀事實。但在工程實踐中,由于缺乏充分的統(tǒng)計數(shù)據(jù)資料,使得可靠性分析中最關(guān)鍵的概率模型的建立也存在很大的分散性,這成為阻礙可靠性分析在工程實際中推廣的重要原因。

因而目前常用的海洋工程疲勞強(qiáng)度分析還是主要采用操作起來簡單的S-N曲線法,并結(jié)合斷裂力學(xué)方法。

3. 斷裂力學(xué)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展

3.1 斷裂力學(xué)的產(chǎn)生

長期以來,工程上對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的計算方法,是以結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)為基礎(chǔ)的。通常都假定材料是均勻的連續(xù)體,沒有考慮客觀存在的裂紋和缺陷,計算時只要工作應(yīng)力不超過許用應(yīng)力,就認(rèn)為結(jié)構(gòu)是安全的,反之就是不安全的。安全系數(shù)并未考慮到其他失效形式的可能性,例如脆性斷裂或快速斷裂。普遍認(rèn)為,選用較高的安全系數(shù)就能避免這種低應(yīng)力斷裂。然而,實踐證明材料存在缺陷或裂紋的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件,在應(yīng)力值遠(yuǎn)低于設(shè)計應(yīng)力的情況下就會發(fā)生全面失效。人們逐漸意識到,對含有裂紋的物體必須作進(jìn)一步的研究。斷裂力學(xué)就是在這個基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。

斷裂力學(xué)從宏觀的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)角度出發(fā),研究含缺陷或者裂紋的物體在外界條件作用下宏觀裂紋的擴(kuò)展、失穩(wěn)開裂、傳播和止裂規(guī)律。斷裂力學(xué)的研究方法是:從彈性力學(xué)方程或彈塑性力學(xué)方程出發(fā),把裂紋作為一種邊界條件,考察裂紋頂端的應(yīng)力場、應(yīng)變場和位移場,設(shè)法建立這些場與控制斷裂的物理參量的關(guān)系和裂紋尖端附近的局部斷裂條件。

經(jīng)典斷裂力學(xué)的三個主要分支是:線彈性斷裂力學(xué)、彈塑性斷裂力學(xué)、斷裂動力學(xué)。

3.2 線彈性斷裂力學(xué)

Griffith通過研究,提出裂紋擴(kuò)展的能量準(zhǔn)則。能量理論將裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界條件表示為GI=GIc(GI微應(yīng)變能釋放率),即脆性斷裂的G準(zhǔn)則。GIc是材料常數(shù),表征材料對裂紋擴(kuò)展的抵抗能力,由試驗確定。

G.R.Irwin用彈性力學(xué)理論分析了裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場后提出了三種類型裂紋(張開型、滑移型、撕裂型)尖端的應(yīng)力場與位移場公式。公式中定義了一個包含一個應(yīng)力強(qiáng)度因子K,對應(yīng)三種裂紋分別為KⅠ、KⅡ、KⅢ。在線彈性斷裂力學(xué)中,它是很重要的力學(xué)量,用來判斷裂紋是否將進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)的一個指標(biāo)。以應(yīng)力強(qiáng)度因子表示的裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展臨界條件為:K=KIC ,稱為K準(zhǔn)則。KIC為裂紋臨界狀態(tài)下的應(yīng)力強(qiáng)度因子,稱為斷裂韌度,也表示材料對于斷裂的抵抗能力。

在彈性條件下,

3.3 彈塑性斷裂力學(xué)

由于裂紋尖端應(yīng)力高度集中,在裂紋尖端附近必然首先屈服形成塑性區(qū)域。對于中、低強(qiáng)度鋼的中小型結(jié)構(gòu)件,薄壁結(jié)構(gòu),焊接結(jié)構(gòu)的拐角和壓力容器的接管處,在裂紋尖端附近,發(fā)生大范圍屈服或全面屈服。這時,線彈性斷裂力學(xué)的結(jié)論不再適用。由此研究大范圍屈服斷裂已成為發(fā)展彈塑性斷裂力學(xué)的迫切任務(wù)。

Wells在大量實驗的基礎(chǔ)上,提出了彈塑性條件的斷裂準(zhǔn)則,COD準(zhǔn)則:當(dāng)裂紋尖端張開位移

時,裂紋開裂。COD即裂紋受載后,在原裂紋尖端垂直裂紋方向上所產(chǎn)生的位移(Crack Opening Displacement)。

1968年,Rice提出了J積分理論。以J積分為常數(shù)并建立斷裂準(zhǔn)則。J積分是圍繞裂紋尖端作閉合曲線的積分。J積分與裂紋擴(kuò)展力GI的物理意義相同,進(jìn)而建立J準(zhǔn)則:當(dāng)圍繞裂紋尖端的J積分達(dá)到臨界值JC時,即J=JC時,裂紋開始擴(kuò)展。

COD準(zhǔn)則應(yīng)用到焊接結(jié)構(gòu)和壓力容器的斷裂安全分析上非常有效,而且應(yīng)用時比較簡單,因而工程上應(yīng)用較為普遍。J積分準(zhǔn)則理論根據(jù)嚴(yán)格,定義明確,但在計算和實驗上比較復(fù)雜。

彈塑性斷裂力學(xué)的重要成就是HRR解。硬化材料I型裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場的彈塑性分析是由Hutchinson,Rice,Rosengren解決的。它建立了塑性應(yīng)力強(qiáng)度因子與J積分的定量關(guān)系,表明J積分可以作為描述硬化材料中裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場強(qiáng)度的參量。HRR理論是J積分作為斷裂力學(xué)判據(jù)的理論基礎(chǔ)。

3.4 斷裂動力學(xué)

70年代,Sih與Loeber導(dǎo)出了外載隨時間變化而裂紋是穩(wěn)定情況的漸進(jìn)應(yīng)力場與位移場。Rice等多人先后導(dǎo)出了裂紋以等速傳播情況的漸進(jìn)應(yīng)力場與位移場,并提出了裂紋穩(wěn)定而外載隨時間迅速變化情況下的裂紋開裂準(zhǔn)則。

3.5 斷裂力學(xué)理論存在的一些問題及展望

經(jīng)典斷裂力學(xué)是建立在奇異性基礎(chǔ)上的,即均基于裂紋頂端應(yīng)力與應(yīng)變?yōu)闊o限大的模式展開的。奇異性理論一直延續(xù)至今。但是奇異性斷裂力學(xué)在物理上存在本質(zhì)的缺陷。實際發(fā)現(xiàn)的裂紋,裂紋頂端曲率半徑為有限值,裂紋頂端的應(yīng)力應(yīng)變也為有限值。這樣,基于數(shù)學(xué)尖端裂紋和應(yīng)力奇異性的物理量缺乏堅實的物理基礎(chǔ)。為了完善理論,可采用比較符合實際的半圓形頂端的鈍裂紋,而這又需要金相斷裂力學(xué)的發(fā)展。

由于斷裂力學(xué)能對材料和結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行預(yù)測與估算,因而愈來愈受到重視。目前,線彈性斷裂力學(xué)發(fā)展較為成熟,在工程實際中已經(jīng)得到應(yīng)用。彈塑性斷裂力學(xué)雖然取得了一些進(jìn)展,但仍有許多尚待深入研究的問題,它是當(dāng)前斷裂力學(xué)主要研究方向之一。斷裂動力學(xué),對于線性材料還有待完善,對于非線性材料,尚處于研究初期,也是斷裂力學(xué)的主要研究方向。

4. 當(dāng)前的研究方法

在疲勞斷裂分析的研究中,最主要的三大研究方法就是:理論、試驗和數(shù)值計算。但是,只有極少數(shù)簡單、特殊的斷裂力學(xué)問題存在解析解,而試驗方法操作起來比較麻煩,而且經(jīng)濟(jì)性不佳,因此絕大多數(shù)工程問題都借助數(shù)值計算的方法來進(jìn)行研究。隨著研究的日益深入,需要求解的問題日趨復(fù)雜化和多樣化。使得如何建立高效、高精度的計算方法成為學(xué)者們研究的熱點。由于計算機(jī)科學(xué)、計算數(shù)學(xué)和力學(xué)等學(xué)科的不斷發(fā)展,用于解決疲勞斷裂問題的數(shù)值計算方法不斷涌現(xiàn),它們正成為推動疲勞分析和斷裂力學(xué)發(fā)展的有力工具。

4.1 有限元法

普遍認(rèn)為,有限元法的出現(xiàn)是計算力學(xué)誕生的標(biāo)志。有限元法是建立在傳統(tǒng)的Ritz法的基礎(chǔ)上,利用變分原理導(dǎo)出代數(shù)方程組求解。它將連續(xù)介質(zhì)離散成有限個單元來進(jìn)行數(shù)值計算。有限元法實現(xiàn)了統(tǒng)一的計算模型、離散方法、數(shù)值求解和程序化設(shè)計方法,從而能廣泛地適應(yīng)求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)問題。有限元法從誕生至今得到了迅猛的發(fā)展,成為用于結(jié)構(gòu)和固體力學(xué)問題的首選方法。

當(dāng)前斷裂力學(xué)用有限元法取得了極大的研究進(jìn)展。比如,采用自適應(yīng)有限元法確定裂紋尖端的塑性區(qū),在有限元法的基礎(chǔ)上建立隨機(jī)分析,用于動態(tài)問題的空-時有限元法等等。

4.2 其他數(shù)值計算方法

由于有限元法同時也存在缺陷,比如隨著計算精度要求的提高,有限元網(wǎng)格的劃分將十分困難,計算量也會十分龐大。因此,學(xué)者們在研究過程中又逐漸創(chuàng)立了其他數(shù)值計算方法。主要有:邊界元法、無網(wǎng)格法、數(shù)值流形方法、小波數(shù)值法等,此外還有位移不連續(xù)法、超奇異積分方程法、加權(quán)殘數(shù)法、有限差分法擴(kuò)展有限元法等,都取得了進(jìn)展。

4.3 數(shù)值計算方法的發(fā)展趨勢

(1) 并行數(shù)值計算方法。該方法是在工程計算規(guī)模大幅增加與計算機(jī)能力受到限制的矛盾日益突出的情況下產(chǎn)生的。

(2) 解析法與數(shù)值法相結(jié)合。解析法與數(shù)值法相互結(jié)合、相互滲透將為研究提供一系列高效算法。

(3) 多種計算方法有機(jī)結(jié)合。結(jié)構(gòu)的形式很少是單一的,多種方法的耦合將會提高運(yùn)算精度以及運(yùn)算速度。

(4) 數(shù)據(jù)處理自動化。為了提高效率,自適應(yīng)有限元法和網(wǎng)格的自動劃分與技術(shù)更新仍將是有限元研究中的一個熱點。

(5) 耦合場中的數(shù)值計算在一些領(lǐng)域也將越來越重要。

5. 工程中的應(yīng)用實例

5.1 海洋平臺管節(jié)點疲勞性能研究

筆者正在完成的畢業(yè)設(shè)計的題目是:“導(dǎo)管架式海洋平臺管節(jié)點疲勞強(qiáng)度分析”。以下是我在學(xué)習(xí)過程中遇到的一個實例,用斷裂力學(xué)方法來求解管節(jié)點的疲勞壽命。

1. 基本原則

從Paris公式 da/dN=c

式中,c、m為材料常數(shù),由材料、焊接構(gòu)件及管節(jié)點試驗綜合分析給出,建議:c=4.764

式中,Y為管節(jié)點形狀因子,由管節(jié)點試驗和有限元計算給出。Y=A

2. 基型管節(jié)點形狀因子

基型管節(jié)點形狀因子Y

軸向載荷:

面內(nèi)彎曲載荷:

面外彎曲載荷:

基型管節(jié)點形狀因子Y0見圖

基型管節(jié)點形狀因子Y0

3. 修正因子M

(1) 厚度修正因子Mt

在裂紋擴(kuò)展階段,厚度修正因子為 Mt=(T/T0)0.25

(2) 焊縫修正因子Mw

焊縫局部應(yīng)力集中對裂紋萌生影響很大,對裂紋擴(kuò)展速率也有明顯影響,必須考慮其對形狀因子的修正。焊縫修正因子為 Mw=

(3) 應(yīng)力分布修正因子M

應(yīng)力分布不均勻性由幾何參數(shù)決定,其修正因子為

(4) 海水自由腐蝕修正因子 MH

海水腐蝕對管節(jié)點裂紋擴(kuò)展速率影響同應(yīng)力水平有關(guān),海水自由腐蝕因子為

MH=

(5) 陰極防護(hù)修正因子

4. 管節(jié)點形狀因子

建立在基型管節(jié)點形狀因子Y0修正的基礎(chǔ)上,管節(jié)點形狀因子為

為驗證修正可靠性,把修正結(jié)果同試驗結(jié)構(gòu)相對比。

自由腐蝕,在

修正法:

試驗法:

陰極防護(hù):在

修正法:

試驗法:

可以看出修正結(jié)果同試驗結(jié)果相一致,因此修正方案可靠。

5. 計算公式

由Paris公式

Np=

=式中,取1.5mm,

取T

5.2 海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全壽命評估與維修決策

此部分內(nèi)容來源于黃小平、崔維成、王慶豐所著《海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全壽命評估與維修決策研究》。

海洋平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜,造價昂貴,一旦發(fā)生事故會造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。因此保證安全性以及延長其服役期就顯得至關(guān)重要。以上學(xué)著提出地基于疲勞斷裂力學(xué)控制的評估方法適合于任何類型、處于任意使用階段的結(jié)構(gòu)安全壽命評估。其顯著特點是可以方便地通過檢測對評估結(jié)果進(jìn)行驗證,該特點可顯著提高預(yù)報結(jié)果地可靠性和可信性。

該法克服了傳統(tǒng)地安全壽命法的不足,不需要對平臺結(jié)構(gòu)過去的受載歷史進(jìn)行了解,只需知道目前平臺結(jié)構(gòu)的受損程度,以及今后平臺受載情況,即可對海洋平臺進(jìn)行安全評估和斷裂控制,并進(jìn)一步計算其疲勞壽命。

海洋平臺安全壽命評估及檢修決策圖

6. 總結(jié)

本文介紹了船海工程的發(fā)展趨勢,進(jìn)而引出疲勞裂紋分析在船海工程中的應(yīng)用。接下來簡述了疲勞分析以及斷裂力學(xué)的研究現(xiàn)狀以及存在的一些問題,然后淺談了對將來發(fā)展趨勢的一些看法。然后過渡到當(dāng)前的研究方法,即主要為數(shù)值計算方法。對當(dāng)前數(shù)值計算的具體方法進(jìn)行了概括,并淺談發(fā)展趨勢。在這之后,列舉了兩個具體例子,即斷裂力學(xué)原理在疲勞分析中的應(yīng)用,這也是疲勞分析的一個正在發(fā)展的重要方法。

最后,對船海工程疲勞斷裂分析再次進(jìn)行一下展望。第一部分已經(jīng)提到過,由于船海工程加工工藝的特點,即焊接工藝的特點,疲勞斷裂在船海工程中的應(yīng)用將會有廣闊的天地。理論的發(fā)展和應(yīng)用離不開工程實際的需要,隨著船海工程的發(fā)展需要,也必將促使學(xué)者們不斷研究提出新理論,完善經(jīng)典理論,并借助計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,大幅度提高數(shù)值計算的精度和效率。

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