第九章 疲劳强度分析.ppt

第9章疲劳强度分析
引言
疲劳破坏是船舶与海洋工程结构破坏的主要模式之一。对于船舶结构疲劳破坏问题的真正重视开始于上世纪70年代末。当时,Jordan和Cochran用了数年的时间对正在服役的7种船型的86条船舶的节点部位进行了仔细调查,发现了不少裂纹。他们的调研结论证实了疲劳破坏在船舶破损中的重要性。1990年美国海岸警卫队(USCG)公布了他们从1984年到1988年所收集的除了碰撞和触礁以外的停靠在Valdez和Alaska码头的69艘发生破损的油船数据,80%上的结构严重破坏是由于疲劳和断裂破坏而引起的。特别是对于大型船舶和使用高强度钢的船舶来说,疲劳问题显得尤为突出。
长期以来对结构疲劳现象进行大量理论和试验研究表明疲劳过程一般分为裂纹的萌生(裂纹的起源阶段)和最终导致断裂的裂纹稳定扩展两个阶段。根据这一疲劳过程,建立了两种可供实际操作的疲劳损伤和寿命分析方法,即基于S-N曲线和Miner准则的线性累积损伤理论和基于Paris的疲劳裂纹扩展理论的断裂力学方法。
严格来说,S-N曲线法仅使用于预报裂纹的生成寿命,但现在一般都将“疲劳破坏”的概念模糊化,通过人为定义某一状态为“破坏”,即将扩展过程简化为一种状态,从而也将S-N曲线法用于评估结构的全寿命期。断裂力学法则是考虑裂纹生成之后,裂纹扩展直至临界裂纹出现的过程。
这两种方法各有优缺点:S-N曲线法疲劳理论较为简单,适合于裂纹生成寿命在总寿命中占主要部分的结构;断裂力学法可以更好地反映尺度效应,对于己存在裂纹的结构提供一个更准确的剩余寿命评估方法,但必须要有裂纹初始状态的形状参数,不确定因素比较多,尤其在结构裂纹生成规律不清楚时,评估具有一定的难度。
裂纹萌生阶段和裂纹扩展阶段在整个疲劳寿命中所占比例因情况不同相差很大。一般来讲,在高周(应力循环次数N>101)疲劳范围内裂纹萌生阶段在总寿命中所占比例较大。对于船舶结构危险节点,以应力循环次数计的疲劳寿命N通常大于,属于高周疲劳现象,裂纹生成时间较长,主要采用S-N曲线法。
随着结构可靠性理论的发展,通过采用随机理论来描述疲劳强度中的各种不确定因素,进一步发展了概率方法,进而形成了基于概率S-N曲线/Palmgren-Miner准则的疲劳累积损伤方法和概率断裂力学方法。前者由于建立在大量实验的基础上相对比较成熟。同时应用较为简单,在各船级社的疲劳规范中得到了广泛应用。
船舶结构疲劳强度评估,首先计算由于海洋波浪作用,船体结构产生的交变应力,然后应用疲劳理论,计算疲劳裂纹容易产生的部位即结构危险点处的疲劳损伤,得到寿命。根据疲劳评估时计算疲劳应力即结构的交变应力的方法不同,S-N曲线法可分为基于有限元法(热点应力法或切口应力法)的详细分析方法和基于名义应力法的简化方法。
有限元法需要建立结构的三维有限元模型,计算出危险节点处的名义应力,然后建立局部结构有限元模型,求出可能产生疲劳裂纹部位的应力(即热点应力),获得等效热点应力范围,再乘以疲劳切口系数得到等效切口应力范围,以此评估疲劳强度。考虑到船体结构中有数量众多、类型不同的焊接节点,节点所受的载荷极其复杂因此船体结构疲劳分析是一个十分复杂的间题。在目前己有的各种疲劳强度校核方法中,有限元法需要的S-N曲线数目少,不确定因素相对较少,是至今为止认为最完善的方法。但是,这一方法步骤繁多,计算工作量巨大,全船实施较为困难。
本章主要介绍国际散货船规范规定的疲劳强度分析的有限元法,适用于波浪载荷引起的周期性疲劳,对于振动、低周载荷或砰击之类冲击载荷引起的疲劳不在本章范围之内。
线性累积损伤理论 Minner线性累积损伤理论
研究表明,结构疲劳损坏的程度主要与应力循环时变动范围,即应力范围(stress range)的大小及其作用次数有关。对于结构受变幅交变应力作用的情况,结构总的疲劳损伤量可以通过把各不同幅值的应力循环造成的疲劳损伤按适当的原则累加而得到。当结构总的疲劳损伤量达到某一数值时,就将发生疲劳破坏。
目前最常用的疲劳累积损伤模型是建立在Miner线性累积损伤理论的基础上的。这一理论认为,结构在多级恒幅交变应力作用下发生疲劳破坏时,其总损伤量是各应力范围水平下的损伤分量之和,而某一应力范围水平下的损伤分量在总损伤量中所占的比例等于该应力范围的实际循环次数与结构在该应力范围单一作用下达到破坏所需的循环次数之比。即,当结构发生疲劳破坏时有:
(9-1)
式中,应力范围的实际循环次数,为结构在应力范围为的恒幅交变应力作用下达到破坏所需的循环次数。通常把上式中的和式称为结构的疲劳累积损伤度,用D表示,即
(9-2)

(9-2)D是结构疲劳累积损伤的一个度量。由(9-2)式可知,当结构发生疲劳破坏时,累积损伤度应等于1,即D=