《基于斷裂力學(xué)理論的疲勞強(qiáng)度評(píng)估指南》

基于斷裂力學(xué)理論的疲勞強(qiáng)度評(píng)估指南2 3 3 3 3 4 4 5 5 6 6 6 6 6 7 7 7 10 10 10 11 14 144.2疲勞應(yīng)力譜 14 14 16 16 16 16 16 18 19 19 19 20 20 22 22 223規(guī)范或指南要求進(jìn)行基于斷裂力學(xué)理論的疲勞強(qiáng)度評(píng)估的船舶，也適用于自愿申請(qǐng)本章1.1.3按本指南進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估的船舶，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建造工藝和建造質(zhì)量應(yīng)滿足產(chǎn)生的裂紋、未焊透、氣孔、咬邊、過燒、夾渣，鑄件中的縮孔、疏松，以及結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境中使用時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋和疲勞裂紋等。缺陷類型包括中心穿透裂紋、自由邊裂疲勞應(yīng)力譜計(jì)算基于譜分析法，如CCS《基于譜分析的船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估指南》1.3.1Δσn：名義應(yīng)力范圍，N/mΔσn=σmax-σminσmin——名義應(yīng)力循環(huán)中的代數(shù)最小值，N/mm2。4 1.3.4K：應(yīng)力強(qiáng)度因子，MPam， 1.3.7R：載荷（應(yīng)力）比，指疲勞載荷（應(yīng)力）循環(huán)中應(yīng)力最小值與最大值的比值。 1.3.10m：裂紋擴(kuò)展率公式中的指數(shù)，取Paris公式指數(shù)。船體結(jié)構(gòu)用鋼可取為m=3。1.3.12da/dN：裂紋擴(kuò)展率，m/cycle，描述裂紋擴(kuò)展快慢的物理量，每次循環(huán)裂紋的1.3.15Ntotal：總循環(huán)數(shù)，設(shè)計(jì)51.6.2使用譜分析法評(píng)估時(shí)，疲勞評(píng)估裝載工況和時(shí)間分海船入級(jí)規(guī)范》或《基于譜分析的船體結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估指南》的相關(guān)要1.7.1等效設(shè)計(jì)波法疲勞評(píng)估載荷工況應(yīng)符合CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》或《6式中：TDF——設(shè)計(jì)疲勞壽命，年。2.3單一曲線模型裂紋擴(kuò)展率公式2.3.1裂紋擴(kuò)展預(yù)報(bào)模型為單一曲線模型，表達(dá)式如下：ΔKth0——應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的門檻值。ΔKeq0——等效應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，按下式計(jì)算：eq0RmaxminΔK=K-K，MPammaxmin[(1-R)-β(R<0)l2.4.1疲勞裂紋擴(kuò)展計(jì)算載荷采用階梯應(yīng)力譜，標(biāo)準(zhǔn)階梯應(yīng)力譜按下式計(jì)算：7式中：Δσmax——與總循環(huán)次數(shù)Ntotal對(duì)應(yīng)的最大設(shè)計(jì)疲勞應(yīng)力范圍；Δσi——與循環(huán)次數(shù)Ni對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)力范圍；Ntotal——疲勞載荷總循環(huán)數(shù)。2.5.1結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在所考慮初始缺陷下的失效評(píng)估計(jì)算采用失效評(píng)估圖法。2.5.2典型的失效評(píng)估圖如圖2.5.2所示，橫數(shù)Kr。失效評(píng)估曲線將評(píng)估圖劃分為安全和不安全兩個(gè)區(qū)域，如果疲勞裂評(píng)估點(diǎn)位于失效評(píng)估曲線下方，可判定含裂紋結(jié)構(gòu)安全，反之則為不2.5.3失效評(píng)估曲線的計(jì)算方法見第6章6.2節(jié)。NF——失效循環(huán)次數(shù)；Ntotal——設(shè)計(jì)疲勞壽命TDF期內(nèi)疲勞載荷循環(huán)的總次數(shù)。82.7.2疲勞裂紋擴(kuò)展的計(jì)算流程見圖2.7.29步驟一等效設(shè)計(jì)波法得到步驟一等效設(shè)計(jì)波法得到譜分析法得到階梯設(shè)置總循環(huán)數(shù)NtotalK和最大應(yīng)力強(qiáng)度因子Kmax3.1.1本指南中假定結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在冶煉制造、加工和焊接過程中實(shí)際存在初始-共面缺陷的簡化序號(hào)1,0.5a2,a2）a/B及或a2/B≤0.5a/B及a2/B＞0.5223,a2）4s1≤maxa2s2≤a1+a2526s1≤maxa2s2≤a1+a2+s2K=σnY(a)MPaY(a3.3.4受均勻拉伸的母材埋藏裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子K，按下式計(jì)算：θ——橢圓離心角，弧度。0≤a2c≤1，2cw<0.5,-π≤φ≤π,且當(dāng)0≤a2c≤0.1時(shí)，(a/t')＜0.625.(0.6+ac)3.3.5焊趾處表面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子K，按下式計(jì)算：式中：σm——名義膜應(yīng)力，N/σb——名義彎曲應(yīng)力，N/mm2；θ——橢圓離心角，弧度；M——拉伸應(yīng)力下焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度因子增大系數(shù)；M——彎曲應(yīng)力下焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度因子增大系數(shù)；應(yīng)按下式計(jì)算M，M：L——焊趾長度，m，見圖3.3.5(2)。L/ta/tvu≤2≤0.073≤1≤0.033.3.6焊趾處焊接殘余應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度ReH—材料屈服強(qiáng)度，N/mm2。其余符號(hào)見本章3.3.5節(jié)定義。4.1.3根據(jù)典型節(jié)點(diǎn)連接形式和位置選擇適當(dāng)?shù)膽?yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行裂紋擴(kuò)展計(jì)算。σmax=Δσn/2+σmean和σmin=-Δσn/2+σmean。0≤0≤Δσ<+∞qk——裝載工況k的Weibull分布尺nk=αk×Ntotal4.3應(yīng)力范圍=max(Δσn,ik)N/mm2式中：Δσn,ik——裝載工況k中載荷工況i下的名義應(yīng)力范圍，N/mm2。σn,i1k-σn,i2kN/mm2示載荷工況i1和i2。示載荷工況i1和i2。5.4.2建議采用IACS推薦的波浪散布圖。對(duì)于特定航線的船舶，采用其它波浪海況散5.4.3波浪頻率和浪向角的選取，(2)浪向角包括0o、30o、60o、90o、5.4.4通過疲勞應(yīng)力范圍短期分布Rayleigh分?jǐn)?shù)，每個(gè)譜塊應(yīng)力范圍數(shù)值作為結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展疲勞壽命T5.4.6應(yīng)力范圍短期分布響應(yīng)2Gσ(①,Hs,Tz,θ)=Hσ(①,θ)Gη(①,Hs,Tz)2Hσ(5.4.7應(yīng)力范圍短期分布的概率密度函數(shù)由RayleigF?σ(?σ)=∑1∑1∑1vn?pn?pi?pj?F?σnij(?σ)∑n1∑1∑j1vnij?pn?pi?pj式中：FΔσnij(Δσ)——第n個(gè)裝載及海況i和航向j下，應(yīng)力范圍的短期分布，見5.4.Nh——航向個(gè)數(shù)；pn——第n個(gè)裝載狀態(tài)所占設(shè)計(jì)壽命的比例；vnij——第n個(gè)裝載及海況i和航向j下，應(yīng)力交變響應(yīng)平均過零率。要求見5.2；計(jì)算各裝載工況、波浪頻率及航向角下船體的運(yùn)建立目標(biāo)船的全船有限元模型，包括結(jié)構(gòu)模型和質(zhì)量模結(jié)合傳遞函數(shù)，按照5.4.8得到海浪散布圖中特定裝載工況、6.1.1失效評(píng)估圖能夠考察含平面型缺陷結(jié)構(gòu)從脆性斷裂直至塑性失穩(wěn)階段所有可能6.1.2采用通用失效評(píng)定曲線進(jìn)行評(píng)估，該曲線適用于應(yīng)力-應(yīng)變曲線上無明顯屈服平獲取材料的斷裂韌度Kmat以及材料性能參數(shù)：材料屈服強(qiáng)度ReH、抗拉強(qiáng)度R獲取材料的斷裂韌度Kmat以及材料性能參數(shù)：材料屈服強(qiáng)度ReH、抗拉強(qiáng)度Rm確定裂紋類型及裂紋尺寸參計(jì)算參考應(yīng)力σref和應(yīng)力強(qiáng)度因子K值，并進(jìn)一步和斷裂系數(shù)Kr值根據(jù)裂紋面上的應(yīng)力分布或估算公式計(jì)算相應(yīng)σm、名義彎曲應(yīng)力σb并根據(jù)評(píng)估點(diǎn)位置進(jìn)行Kr——斷裂系數(shù)；Lr——塑性失穩(wěn)系數(shù)；σref——參考應(yīng)力，N/mm2；Kmat——鋼材斷裂韌度，MPa；可取鋼材平面應(yīng)變斷裂韌度值KIC。Lr≤1r≤Lr,maxLr＞Lr,max式中：Lr——塑性失穩(wěn)系數(shù)，見6.4；Lr,max——最大塑性失穩(wěn)系數(shù)，按下式計(jì)算：Rm——材料抗拉強(qiáng)度，N/mm2。eHμ=min(0.001,0.6)eH6.3.1疲勞裂紋擴(kuò)展的斷裂系數(shù)Kr 式中：K——根據(jù)一次應(yīng)力（名義應(yīng)力）計(jì)算得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子，MPam；K——根據(jù)二次應(yīng)力（焊接殘余應(yīng)力）計(jì)算得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子，MPa；|P1=0.1|KS|r||-0.007|KS|r||+0.00003|KS|P1=0.1|KS|r||-0.007|KS|r||+0.00003|KS|r||KS|r|<5.2{{IIIII(KP,」|I(KP,|S(L)|P1=0.25KI≥5.2l(KI,LrLr6.4.1裂紋擴(kuò)展的塑性失穩(wěn)系數(shù)Lr按σfs——缺陷處材料的流動(dòng)強(qiáng)度，N/mm2，取材料的屈服強(qiáng)度ReH。裂紋參考應(yīng)力σ裂紋參考應(yīng)力σ計(jì)算公式，N/mm2表6.4.1參考應(yīng)力σref10.5σ=+90.5σ=(w,ref3(|1-2a(w,23{4σb|(σb+σb|(σb+3σmαLl(t,J」l(t,Jσ=σ=σm——名義膜應(yīng)力，N/mm2；σb——名義彎曲應(yīng)力，N/mm2。(0.5<a2c≤1)[1(0≤a2c≤0.5)M1={lca(0.5≤a2c≤1)0.05M=20.11+(ac)32(0≤a2(0≤a2c≤0.5)(0.5<a2c≤1)[0θ={在裂紋長度尖端在裂紋深度尖端lπ2焊趾表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子K應(yīng)按下式計(jì)算：K=(Mσm+MHσbF,,,θ,)|式中：