[01805190]基于断裂力学的船舶与海洋结构物疲劳寿命研究

1、对目前国内外关于金属疲劳裂纹扩展的物理机理的研究成果进行了归纳总结,对最新的理论和观点进行了消化整理,掌握了金属疲劳方面的重点研究方向。对目前海洋结构物疲劳寿命预报中需要解决的重点问题进行了描述。基于这些重点问题,在国际船舶届,率先针对船舶与海洋结构物解决了一系列基础理论问题。在SCI和核心刊物发表论文XX篇,其中SCIXX篇,CSCD库XX篇;出版专著XX本,参编专著XX本;撰写专题研究报告XX份。 ①提出了针对船舶与海洋结构物材料的疲劳裂纹扩展物理机理的新认识。通过对金属疲劳裂纹扩展的物理机理研究,提出将整个疲劳失效过程分为五个阶段：⑴裂纹成核（a＜am）;⑵微结构短裂纹扩展（am ＜a＜ ap）;⑶物理短裂纹扩展（am ＜a＜ al）;⑷长裂纹扩展（al ＜a＜ ac）;⑸最终断裂。这里,a是构件等效裂纹的特征尺寸,am 是目前技术水平能探测到的最小裂纹长度（约0.1μm）,ap 是物理短裂纹的最小裂纹长度（约10μm）,al 为长裂纹的最小裂纹长度,（约1mm）,ac 是构件断裂的临界裂纹长度。 ②通过对疲劳问题的全面分析提出了疲劳寿命预报统一方法的基本思想和理论框架。通过疲劳寿命评估中所涉及的主要问题进行了全面回顾和分析,并以船舶与海洋结构物寿命评估为背景,提出了“结构疲劳寿命预报统一方法”的基本思想。这样的统一方法的思路由项目组成员在国际上首次提出。 ③建立了疲劳寿命预报统一方法中的疲劳裂纹扩展率模型。实现以上目标的最核心问题是建立一个具备上述三个要求的裂纹扩展率。项目组基于统一方法的基本实现,在裂纹扩展率模型建立上取得了重要进展：（1）通过引入不稳定扩展条件,把原来涵盖两个阶段的裂纹扩展率公式拓展到涵盖完整的三个阶段;（2）通过定义一个“虚拟强度”的概念,把原来仅适用于理想弹塑性材料的裂纹扩展率公式拓展到几乎所有的各向同性金属材料,也实现了疲劳与断裂的统一,即裂纹扩展率公式本身也能预报极限强度;（3）通过引入一个“过载/低载”参数来反映过载延迟和低载加速的载荷次序效应;（4）把原来定常的斜率2改成可变的斜率m以适应其它金属材料;（5）将门槛值 Keffth和Kopmax视为载荷比R的函数,通过对部分试验结果的非线性回归加以确定。（6）通过引入裂纹尖端应力/应变状态约束因子对裂纹的不稳定扩展条件及裂纹张开水平的描述方法进行了改进。（7）通过引入裂纹展开水平修正因子更好地解释了超载迟滞效应。（8）将改进的裂纹扩展率模型预报结果与不同材料试验结果进行了比较研究,验证了模型预报的准确性。通过这些研究成果,已建立起一个基本上满足统一方法要求的裂纹扩展率。 ④首次系统研究了裂纹扩展率公式中主要参数的工程估算方法,提出了估算方法的一般思路,主要探讨了如何根据间接的试验数据（如a-N曲线数据S-N曲线数据;ε-N曲线数据;拉伸试验数据等材料参数）进行疲劳裂纹扩展率模型参数的估算。 ⑤提出了处理船舶与海洋结构物载荷次序效应的基本思路,以重点研究了载荷次序效应研究中的突出问题（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,并对本模型的预报结果与多组试验数据进行了比较,结果证明本模型对这些重点问题具有很好的预报能力。 ⑥首次对船用高强度钢HTS-A进行了裂纹扩展性能的探讨。完成了恒幅载荷作用下的裂纹扩展试验、单峰多次超载疲劳试验、压-压疲劳试验及载荷谱块作用下的疲劳试验。并根据理论研究成果对HTS-A高强度钢的试验结果进行了预报,验证了模型对HTS-A的适用性。 ⑦对船舶海洋结构物典型节点的疲劳寿命计算方法和流程进行了探讨。船舶海洋结构物由各种类型的焊接构件组成。在处理焊接构件初始缺陷时,通常将这些缺陷等效为一条二维或者三维的宏观半椭圆表面裂纹,合理估算裂纹形状变化规律是准确估算焊接结构疲劳寿命的前提。 2、系统地研究了小裂纹效应、载荷保持时间、载荷次序效应等对深海结构疲劳寿命的影响,基于疲劳寿命预报统一方法,首次给出了深海结构疲劳全寿命预报方法,建立了室温下考虑载荷次序效应保载-疲劳的小时间域内的裂纹扩展率的新模型,并用于解释大深度钛合金载人舱的疲劳裂纹扩展行为。 ①基于断裂力学理论,着重研究了大深度钛合金载人舱材料疲劳小裂纹效应,首次建立了大深度钛合金载人舱材料疲劳全寿命预报模型。 ②在大深度钛合金载人舱材料室温保载-疲劳机理试验研究基础上,着重分析了饱和时间、饱与应力水平等因素对大深度钛合金载人舱材料室温保载-疲劳的影响,首次建立了钛合金材料室温保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型,该模型中包含两项分别为：一是与循环载荷相关的疲劳项,也就是考虑小裂纹效应的修正模型;二是与时间和应力水平相关的保载项。