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探索疲劳预报方法 助力海洋装备发展——崔维成教授《海洋结构物疲劳寿命预报的统一方法》成果与书评

2017-11-15

在海洋工程领域,一方面,21世纪人类全面进入海洋时代,随着远洋运输迅速发展和海洋资源开发的急剧膨胀,海洋结构物的数量和种类呈指数增长。另一方面,工业上大量使用高强度金属材料,海洋结构物不断大型化,以及为了追求经济效益,不断延长其服役时间;同时,海洋结构物通常受到风、浪、流等交变载荷的作用,载荷的不确定性难以考量。这几方面的因素致使由海洋结构物疲劳失效造成的事故不断出现,并呈上升趋势,因此疲劳研究的重要性日益突出。

现有的船舶与海洋结构物疲劳强度评估与疲劳寿命预报方法主要是基于疲劳累积损伤理论(Cumulative Fatigue Damage, CFD)的S~N曲线法,但该方法有不能考虑结构初始裂纹缺陷、忽略载荷次序效应以及结构破坏定义模糊等缺陷,其预报结果分散性很大,难以满足工程应用的精度要求。为此,上海海洋大学深渊科学技术研究中心主任崔维成教授提出了疲劳寿命预报统一方法,该方法基于裂纹扩展理论而发展起来的,其认为结构本身不可避免地存在着固有的类裂纹缺陷,如气孔、夹杂物、几何应力集中源以及焊接缺陷,疲劳过程可以看成纯粹的裂纹扩展问题。统一方法把疲劳裂纹扩展过程的三个阶段、高周疲劳与低周疲劳以及各种实验中观察到的物理现象统一到一个模型中,并将材料的断裂韧性作为结构失效的判断依据。

在广泛研究和实践的基础上,崔维成教授、黄小平副教授和王芳副研究员编著出版了《海洋结构物疲劳寿命预报的统一方法(英文版)》,该书集中介绍了疲劳寿命预报统一方法的思想、需要解决的关键技术问题以及已经取得的部分研究成果,并对其在工程实际问题中的应用进行演示。重点介绍了疲劳寿命预报统一方法中的裂纹扩展率模型,在此基础上建立裂纹扩展率公式中主要参数的工程估算方法,以及随机载荷的时程效应及其处理方法,并将这一方法应用于海洋结构物典型节点的疲劳寿命评估中,也解决应用过程中的一些技术问题,为建立海洋结构物新一代更加精确的疲劳寿命预报方法奠定理论基础。

一、金属疲劳裂纹扩展的物理机理研究及统一方法概述

在对金属疲劳裂纹扩展的物理机理研究中,崔维成教授提出将整个疲劳失效过程分为五个阶段的新观点,这样划分可以适应裂纹测量系统精度提高的趋势,为建立比较精确的疲劳寿命预报方法奠定理论基础。这五个阶段分别是裂纹成核、微结构短裂纹扩展、物理短裂纹扩展、长裂纹扩展和最终断裂。

其中的疲劳裂纹扩展是跨越微观和宏观两个层次的复杂现象,在对其产生的影响因素研究之后,崔维成教授提出将这些因素归为四种类型:与材料相关的因素、与结构相关的因素、与载荷相关的因素以及与环境相关的因素,为广义裂纹扩展率表达式的建立奠定了理论基础。

他提出了统一方法(UFLP)的思路,包含三个层面的含意:(1)裂纹扩展率公式涵盖从门槛值到不稳定扩展的宏观裂纹扩展的完整的三个阶段,但不进入微观层面;(2)把静强度看作是低周疲劳的极端情况,由不稳定扩展条件确定,把疲劳极限看作是高周疲劳的极端情况,由门槛值条件来决定,这样一来,可以把低周疲劳与高周疲劳进行有机的统一,也可以把疲劳与断裂(即极限强度)加以统一;(3)描述三个阶段的裂纹扩展率必须能解释疲劳裂纹扩展试验中所观察到的所有真实物理现象,如载荷比R效应、载荷次序效应、短裂纹效应、压-压疲劳等。

实现这一目标的最核心问题是建立一个较为精确的裂纹扩展率模型。该裂纹扩展率模型能够反映载荷(L)、材料(M)、结构(S)及环境(E)等因素的影响,函数表达式为:da/dN=fLMSE)。

二、裂纹扩展率估算方法研究

崔教授提出了由已知试验数据预报模型参数的基本方法。对用各类疲劳试验数据( a-N曲线、S-N曲线、e-N曲线)预报模型参数的转换方法进行了详细论述。对疲劳试验数据与材料拉伸试验数据如弹性模量、硬度、屈服强度、极限拉伸强度、断面收缩率等易测参数之间的联系进行了归纳总结和分析。通过大量的金属材料试验数据对模型及其参数估算方法进行了验证。

三、随机载荷的时程效应与标准载荷序列研究

接受载荷次序效应本质上是由裂纹张开应力水平变化造成的这一观点,崔教授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;提出了改进模型对载荷次序效应研究中的重点问题(如单峰超载、多峰超载、单峰低载、多峰低载、超载和低载联合作用以及块载等)的处理方法。对模型的预报结果与多组试验数据进行了比较,证明模型对这些重点问题有很好的预报能力。将该研究成果应用于国产某高强度钢(HTS-A)的疲劳裂纹扩展规律预报,并对如何建立给定保证度下的标准载荷序列进行了初步的探讨。

四、载荷次序效应研究

作为疲劳寿命预报统一方法工程应用中的一个重要环节,需要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积分模型及其应用方法。《海洋结构物疲劳寿命预报的统一方法(英文版)》一书详细介绍和推导了统一方法中常幅载荷条件下改进的裂纹扩展速率预报模型的建立过程。由于模型涉及到的参数较多,如果所有模型参数都通过试验来确定,需要消耗大量的时间和成本,难以满足工程应用的要求。为了克服这个困难,提出了一种模型参数的工程估算方法。根据材料的力学特性参数和任意应力比下涵盖裂纹扩展三个阶段的裂纹扩展速率曲线即可确定所有的模型参数。将模型的理论预报结果与对应的试验数据比较,证明了模型及其参数的工程估算方法具有较高的预报精度,并对铝合金、高强度钢、钛合金等工程材料具有广泛适用性。

船舶与海洋结构物遭遇的载荷是随机变化的,为了将模型的适用范围推广到变幅载荷下,考虑了载荷次序效应对裂纹扩展的影响,认为载荷次序效应本质原因是由裂纹张开应力水平随变幅载荷发生变化,进而导致裂纹扩展驱动力变化引起的,对模型中裂纹张开水平处应力强度因子项进行了修正。与传统的载荷次序方法如Wheeler模型笼统地在疲劳裂纹扩展率计算公式前乘一个修正系数相比,新模型的物理意义更加明确。新模型中的修正系数构造思路与Wheeler模型类似,超载(低载)单独用作时,裂纹尖端出现塑性变形,由于周围弹性材料的挤压(拉伸)作用,在裂尖前端会产生一个单调的压缩(拉伸)塑性区。在后续载荷循环中,当裂纹扩展进入这个塑性区时,残余压缩/拉伸应力与外载荷作用叠加,从而削弱(加强)了外载荷的有效作用,致使裂纹的扩展速率降低(增大)。通过修正后,裂纹张开水平处的应力强度因子在超载(低载)作用瞬间会减小(增加)到最小值(最大值),并随着裂纹的不断扩展而逐渐恢复到常幅载荷下水平,当裂纹扩展完全穿出单调塑性区时,载荷次序效应作用消失。同时,新模型还考虑了超载与低载的组合作用,并提出了相应的修正方法。为了便于数值计算,基于新模型,提出了用逐周积分的方法来模拟裂纹扩展的全过程,并给出了相应的计算流程。通过对模型的定性分析以及与试验数据的对比,证明了新模型能较好地解释和预报超载与低载单独作用、超载与低载组合作用等各种基本载况下的疲劳裂纹扩展规律。

五、疲劳寿命预报统一方法的应用

以裂纹扩展逐周积分模型为核心,书中对疲劳寿命预报统一方法的应用进行了说明。模型参数、结构的初始缺陷以及载荷时程序列是逐周循环程序的三个重要输入项。其中,经济便捷地获取模型参数对工程应用十分关键。第三章提出的模型参数工程估算方法是基于疲劳裂纹扩展曲线的,而疲劳裂纹扩展速率曲线的获取往往比较昂贵。研究表明:如果将结构的破坏模式定义为断裂,那么同种材料的其它类型的试验数据诸如aN曲线、SN曲线、εN曲线都能反映该材料在交变载荷作用下的基本疲劳特性。为了解决da/dN K曲线获取困难的问题,通过分析不同形式材料试验数据之间的内在联系,提出了利用上述三种疲劳试验曲线转换得到da/dN K曲线,进而求出模型参数的方法。同时对工程上初始裂纹长度的确定和载荷时程序列的获取进行初步的探讨。

著者简介

崔维成,教授,1963年出生。1986年获清华大学学士学位,1990年获英国布里斯托大学博士学位。随后在英国进行了3年的博士后研究。对复合材料层间剪切强度测量、非线性效应、尺度效应、脱层破坏机理等有深入研究。1993年初回国,在船舶结构可靠性分析、极限强度计算和疲劳寿命预报、潜水器研制等方面取得了重要成就。曾任国际船舶结构会议(ISSC)常委,国际期刊Ocean Engineering副主编,Marine StructuresJournal of Marine Science and TechnologyJournal of Engineering for the Maritime Environment等期刊编委,《中国造船》杂志副主编、《船舶力学》副主任委员。是我国“百千万人才工程”一二层次首批人选、上海交通大学首批“长江学者奖励计划”特聘教授、享受政府特殊津贴。曾担任我国“蛟龙”号载人潜水器总体与集成项目的负责人和第一副总设计师,3 0007 000米级海试现场海试副总指挥,八位试航员之一。被授予“载人深潜英雄”称号。曾任中国船舶重工集团公司某研究所所长,现任上海海洋大学深渊科学技术研究中心主任。目前,致力于11 000米全海深载人深渊器“彩虹鱼”号的研制,借助于民间资本起步先行,走出了一条“民间资金+国家支持”的新模式。