一种改进的疲劳裂纹扩展表达式
李向阳;崔维成;张文明
【期刊名称】《船舶力学》
【年(卷),期】2006(010)001
【摘要】疲劳裂纹扩展率表达式是采用疲劳裂纹扩展理论预报疲劳寿命的核心.迄今为止,已有上百种不同的疲劳裂纹扩展率公式被提出.近年来,作者们致力于对新近提出的裂纹扩展率公式进行比较研究.通过初步研究发现,McEvily公式能解释比较
多的异常疲劳现象,因此,它有比较强的预报能力,值得作深入研究.本文针对它采用固定斜率不能与很多实验结果有很好拟合的缺点,提出采用变斜率的改进形式.通过采
用不同材料(钛合金D16Cz、铝合金D16Cz、ARMCO-iron)、不同应力条件(R≥0、R＜0、R=-∞)下的疲劳裂纹扩展数据进行分析验证,发现不管是疲劳短裂纹扩展还是疲劳长裂纹扩展,改进后的McEvily关系均具有良好的疲劳性能预测能力.
【总页数】8页(P54-61)
【作者】李向阳;崔维成;张文明
【作者单位】北京科技大学土木与环境工程学院,北京,100083;中国船舶科学研究
中心,江苏,无锡,214082;北京科技大学土木与环境工程学院,北京,100083
【正文语种】中文
【中图分类】TB301
【相关文献】
1.一种带可靠性的疲劳裂纹扩展速率表达式 [J], 李臻
2.应力比影响下的铝合金全范围疲劳裂纹扩展速率表达式 [J], 严芳芳;连黎明
3.有机玻璃疲劳裂纹扩展表达式及控制参量 [J], 王泓;鄢君辉;郑修麟
4.全范围疲劳裂纹扩展速率表达式的研究 [J], 刘文廷;胡仁伟
5.基于改进的统一疲劳裂纹扩展速率模型的表面裂纹扩展规律预报 [J], 王芳;崔维成;黄小平
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半潜式平台全寿命期极值载荷的确定吴东伟;顾学康;祁恩荣【摘要】基于三维势流理论和Morison方程对一半潜平台生存工况下4种特征波浪载荷进行了预报,研究了平台湿表面网格尺寸与计算时间的关系,并考查了平台杆件对波浪载荷的影响.研究了不同海况资料对长期预报结果的影响,以及浪向和海况对波浪载荷长期极值分布的影响.通过短期结果、长期结果以及简化公式计算结果的对比,发现南海特征严重海况的短期最可能极值与长期预报中10-8超越概率下的结果相当,而简化公式结果在量级上与前两者保持一致.研究结果对平台结构在恶劣海况中的极值设计载荷的确定具有指导意义.%Four kinds of wave loads on a semi-submersible in survival condition were predicted with three dimensional potential flow theory and Morison equation.The relationships between wet surface mesh sizes and computational time were studied, and the effects of bracing members on wave loads were considered.The effects of different scatter diagrams on long-term prediction values and wave heading and sea states on the extreme value distributions were also investigated.By comparing the results of short-term prediction, long-term prediction and simplified formula, it were found that short-term most possible extreme values were correspond with the probability of exceeding 10 -8 results of long-term prediction for South China Sea, and simplified formula results were consistent with them only in the order of magnitude.Some suggestions for the determination of extreme wave loads were made for semi-submersible platforms in severe sea states.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2011(033)004【总页数】9页(P39-47)【关键词】波浪载荷;短期预报;长期预报;极值分析;半潜平台【作者】吴东伟;顾学康;祁恩荣【作者单位】中国船舶科学研究中心,江苏,无锡,214082;中国船舶科学研究中心,江苏,无锡,214082;中国船舶科学研究中心,江苏,无锡,214082【正文语种】中文【中图分类】U661.430 引言半潜式平台作为常年作业于海上油田的海洋工程结构物，在其寿命期内将遭受多种载荷作用，如自重载荷、静水载荷、风载荷、流载荷、波浪载荷和冰载荷等，其中波浪载荷最为复杂和关键。
第20卷 第6期2008年12月中国海上油气CHIN A OF FSH OR E O IL A ND G A SV ol.20 N o.6Dec.2008第一作者简介:王建军,男,高级工程师,1991年毕业于天津理工大学流体传动与控制专业,现主要从事老龄平台延寿评估及深水装备技术研究。
地址:河北省三河市燕郊经济开发区海油大街18号(邮编:065201)。
E -mail:w angjianj @ 。
半潜式钻井平台浮箱表面裂纹损伤研究王建军1 王冬石1 李 杰2 段梦兰2 张 文3(11中海油田服务股份有限公司; 21中国石油大学(北京)海洋油气研究中心; 31复旦大学力学与工程科学系)摘 要 如何评价和处理现役海洋平台存在的各种裂纹是我国海洋工程界面临的一大难题。
半潜式钻井平台由于结构更复杂,且浮箱和立柱对水密性要求严格,裂纹问题更加严重。
以我国南海5号半潜式平台检测出的浮箱表面裂纹为研究对象,将平台结构整体分析与裂纹尖端局部断裂力学分析相结合,采用ABAQU S 软件构造板壳结构表面裂纹,对决定裂纹是否扩展的断裂力学参量以及腐蚀等因素对裂纹尖端断裂力学参量分布的影响进行了研究。
本文方法及研究结果为含裂纹半潜式钻井平台结构的安全评估奠定了基础。
关键词 半潜式钻井平台 表面裂纹 断裂力学分析 目前我国渤海、南海和东海的固定平台有近300座,其中有些平台已经接近或超过设计年限,裂纹问题十分严重。
移动平台如/胜利2号0、/勘探2号0、/南海一号0等也都出现了不同程度的裂纹,裂纹累计总长度有的几米,有的几十米,裂纹的存在严重威胁着平台的安全。
断裂分析和裂纹扩展寿命估算是对平台结构安全程度和整体结构使用寿命评估的基础。
目前,无论是DN V 、API 还是CCS 规范,针对海洋平台安全评估的相关规定均是采用许用应力准则,偏重于整体结构设计、设备分布、载荷分布是否合理的整体性分析。
利用许用应力准则对结构进行评估,一般假设平台没有任何裂纹以及各种缺陷,或将含裂纹或缺陷的构件等效为无裂纹缺陷的单元,并将所有连接部位设定为刚性连接。
D O I :１０．７４９５/j．i s s n ．１００９Ｇ３４８６．２０１８．０４．０１５基于裂纹扩展分析的船舶许用拖速计算模型收稿日期:２０１８Ｇ０１Ｇ３０;修回日期:２０１８Ｇ０６Ｇ０８.作者简介:黄祥兵(１９６６－),男,副教授,主要研究方向为船舶总体技术和救捞工程.通信作者:黄兴玲(１９８０－),男,讲师,硕士,a l i n g h u a n g＠１６３．c o m .黄祥兵,黄兴玲(海军工程大学舰船与海洋学院,武汉４３００３３)摘㊀要:针对拖带三角板出现裂纹影响船舶拖带作业安全的问题,以线弹性断裂力学为基础对拖带三角板进行裂纹扩展分析,推导出船舶许用拖速的理论模型,并建立了裂纹长度和许用拖速间的定量关系;然后,利用三维有限元技术,分析了拖带三角板应力强度因子随板厚和裂纹长度的变化规律,并研究了典型被拖船的许用拖速区.研究结果表明:与传统的强度理论相比,许用拖速理论模型能更好地预测安全拖速,确保拖带安全.关键词:拖带三角板;应力强度因子;裂纹扩展;许用拖速中图分类号:U ６６１．３１㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀文章编号:１００９－３４８６(２０１８)０４－００７７－０４C a l c u l a t i o nm o d e l o f a l l o w a b l e s h i p t o w i n g s pe e db a s e do n c r a c k p r o p a g a t i o na n a l ys i s HU A N G X i a n g Ｇb i n g ,HU A N G X i n g Ｇl i n g(C o l l e ge o fN a v a lA r c h i t e c t u r e a n dO c e a n ,N a v a lU n i v ．o fE n g i n e e r i n g,W u h a n４３００３３,C h i n a )A b s t r a c t :T od e a lw i t h t h e p r o b l e mo f a c c i d e n t s i n s h i p t o w i n g w h e nD e l t a e y e p l a t e i s b r o k e n ,b a s e d o n l i n e a r e l a s t i c f r a c t u r em e c h a n i c s ,t h e c r a c k p r o p a g a t i o na n a l y s e s a r e g i v e n f o r t h ed e l t ae ye p l a t e ．T h e n ,a t h e o r e t i c a lm o d e l i s p r o p o s e df o r a l l o w a b l e s h i p t o w i ng s pe e d ,a n d i t i s c o n n e c t e dw i t h c r a c k l e n g t h q u a n t i t a t i v e l y ．S u b s e q u e n t l y ,t h r e e Ｇd i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n t a n a l y s e s a r e c a r r i e d o u t t o i n v e s Ｇt ig a t e th e s t r e s si n t e n s i t y f a c t o r s o fD e l t a e y e p l a t e ,a n d t h e z o n e o f a l l o w a b l e t o w i n g s pe e d i s s t u d i e df o r a t o w e ds h i p ．T h er e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e d w i t ht h ec l a s s i c a l s t r e ng t hth e o r y ,t h e p r o p o s e d m o d e li sm o r e r e a s o n a b l e a n d t h r o u g h t h i sm e t h o d t h e s a f e t o w i n g s pe e d c a nb e p r e d i c t e d ．K e y w o r d s :D e l t a e y e p l a t e ;s t r e s s i n t e n s i t yf a c t o r ;c r a c k p r o p ag a t i o n ;a l l o w a b l e t o w i n g s p e e d ㊀㊀船舶救捞过程中,由于环境㊁设备和人为操作等各种因素的影响,经常导致事故的发生,很多学者在这方面做了大量的工作[１－５].船舶拖带是一种典型的救捞作业,拖带速度是可控的影响安全拖带的重要因素之一,安全拖速的确定要考虑诸多因素[１],但人们容易忽略的往往是拖带的关键部件出现裂纹,在拖带过程中很难及时更换.此时,保证拖带安全的主要措施就是降低拖速,否则,拖带关键部件的结构失效,往往会带来灾难性的后果.尾拖是一种最为常见的拖带方式,拖带三角板是尾拖的关键部件,该部件的安全性直接关系到拖带作业的安全.本文以含裂纹的拖带三角板为研究对象,以裂纹扩展分析为基础,探讨拖带三角板的结构安全与船舶许用拖速之间的定量关系,为拖带作业的决策提供参考.１㊀理论模型在船舶拖带中,拖带三角板是一种重要的部㊀第３０卷㊀第４期㊀２０１８年８月㊀㊀㊀海军工程大学学报㊀JO U R N A L O FN A V A L U N I V E R S I T Y O FE N G I N E E R I N G ㊀㊀㊀㊀V o l ．３０㊀N o ．４㊀A u g ．２０１８㊀件,它通过主拖缆联接被拖船,龙须缆联接拖船,传递拖船施加的拖力(见图１).图１㊀船舶拖带示意图F i g．１㊀A r r a n g e m e n t i n s h i p t o w i n g在大风浪中拖带时,由于急牵㊁转向等,会使得拖缆的瞬时载荷极大,在拖带三角板上产生裂纹.三角板上的裂纹形式多种多样,本文选取对称的A孔孔边裂纹进行分析(见图２).图２㊀含裂纹的拖带三角板F i g．２㊀C r a c k e dD e l t a e y e p l a t e拖带三角板在作业过程中的受力状态,可简化为如图２所示的力学模型.图２中:σ１为被拖船通过主拖缆作用在三角板上的拉应力;σ２和σ３分别为拖船通过两根龙须缆作用在三角板上的拉应力;z轴沿板厚方向,原点位于h/２和w/２处.对于静水拖带,被拖船的总阻力与拉应力σ１的关系为σ１＝R T(πr t/２)－１;(１) R T＝ρS V２/２ C T＝C R V２.(２)式中:R T为被拖船总阻力;r为拖带三角板圆孔半径;t为拖带三角板板厚;ρ为水的密度;S为被拖船的湿表面积;V为被拖船的航速;C T为被拖船总阻力系数;C R为简化的阻力系数,显然有C R＝ρS C T/２.１．１㊀传统强度理论对于完整结构,通常采用强度理论来评估结构的安全,即σɤ[σ]＝σb/N.(３)式中:σ为结构中的应力;[σ]为许用应力;σb为抗拉强度;N为安全系数.１．２㊀裂纹扩展准则对于含裂纹的结构,在外力作用下,裂纹会不断扩展最终导致结构失效.而整个过程中,结构中的应力水平(除裂尖外)却满足式(３).但是,对于破损结构或部件,常规的强度理论不能确保其安全,应采用断裂力学的理论来评价其安全性.对于拖带三角板,其受到I型和I I型载荷联合作用,裂纹扩展的准则为[５]K e f fɤK I C;(４) K e f f＝K２Ⅰ＋K２Ⅱ＝E J/(１－v２).(５)式中:K I C为断裂韧性;KⅠ和KⅡ分别为Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子(S I F);K e f f为等效应力强度因子;J为J积分.为了方便,应力强度因子通常无量纲化,等效应力强度因子可无量纲化为等效几何修正系数(G C F):βe f f＝K e f f/(σ１πa).(６)式中:βe f f为等效几何修正系数(G C F);a为裂纹长度;σ１为被拖船通过主拖缆作用在三角板上的拉应力.同理,KⅠ和KⅡ也可无量纲化,即βi＝K i/(σ１πa),i＝Ⅰ,Ⅱ.(７)㊀㊀在含裂纹的拖带三角板中,主要校核式(４)是否成立,即裂纹是否扩展.当式(４)成立时,裂纹不会扩展,结构是安全的.所以,必须求出拖带三角板在不同情况下的应力强度因子或等效几何修正系数.１．３㊀最大许用拖速被拖船航速与拖带三角板载荷密切相关.一般而言,航速增大时三角板承受的载荷也会增加.对于含裂纹的三角板,为防止其裂纹扩展导致结构失效,拖带航速必须控制在一定范围内.根据式(１)㊁(２)㊁(４)㊁(６),可以推导得到裂纹不扩展时,拖速应满足Vɤ[V]＝r t K I C２βe f f C Rπaæèçöø÷０．５.(８)式中:[V]为被拖船的最大许用拖速,以上各物理量的单位均采用国际单位制.式(８)从断裂力学的角度,建立了被拖船航速V与拖带三角板裂纹长度之间a的定量关系.当拖带三角板上出现一定长度的裂纹时,拖带航速必须控制在式(８)确定的范围之内.否则,裂纹长度８７ 海㊀军㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３０卷㊀会不断增加,导致拖船与被拖船之间的联接断裂.２㊀应力强度因子分析２．１㊀有限元模型拖带三角板的几何参数如下:H＝５００mm, h＝２６０mm,W＝２６０mm,t＝９０mm,r＝５０mm,a/r＝０．１~１．１,θ＝３０ʎ.材料弹性模量E＝２１０G P a,泊松比ν＝０．３,抗拉强度σb＝５３０M P a,断裂韧性K I C＝５１．５M P a (m)１/２.利用有限元分析软件A B A Q U S６．１３对拖带三角板进行分析,该软件运用域积分来计算KⅠ和KⅡ.由于拖带三角板的对称性,取二分之一模型进行研究,采用三维实体单元(C３D８R),含板厚方向划分２０个单位,裂纹尖端处设置奇异单元.通过划分不同密度的网格来进行收敛性分析,最终确定每个模型约１０８８２０个单元,线弹性三维模型的收敛性分析在作者的近期工作中已有论述[６].典型的三维模型如图３所示.图３㊀拖带三角板的有限元模型F i g．３㊀F i n i t e e l e m e n t(F E)m o d e l o f d e l t a e y e p l a t e ２．２㊀沿厚度方向的应力强度因子在三维模型中,沿板的厚度方向应力状态是变化的.接近板的表面(z/t＝０或１),近似于平面应力状态;越靠近板的中面(z/t＝０．５),越趋近于平面应变状态.因此,三维应力强度因子沿板厚度方向是不一致的,但其关于中面(z/t＝０．５)对称.孔边裂纹应力强度因子沿板厚的分布规律如图４所示.从图可见,应力强度因子以KⅠ为主, KⅡ较小;无论KⅠ是还是KⅡ,由于边界效应的影响,在板的表面附近变化较大,靠近中面则变化较小.因此,在分析时取中面(z/t＝０．５)的应力强度因子.图４㊀应力强度因子沿板厚的分布规律F i g．４㊀D i s t r i b u t i o n s o f S I Fa l o n gp l a t e t h i c k n e s s d i r e c t i o n ２．３㊀等效几何修正系数通过有限元分析,可以计算得出Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子KⅠ和KⅡ,并利用式(７)进行无量纲化,得出βⅠ和βⅡ.然后,根据式(５),计算等效应力强度因子K e f f,再利用式(６),对其进行无量纲化,即可得出等效几何修正系数βe f f.孔边裂纹的βⅠ㊁βⅡ以及等效几何修正系数βe f f如图５所示.从图可见,Ⅰ型应力强度因子远大于Ⅱ型,所以βe f f和βⅠ的差别不大,因而在工程分析中可将三角板近似的视为只有Ⅰ型裂纹.等效几何修正系数βe f f的变化不是单调的,其与裂纹长度密切相关.图５㊀几何修正系数随裂纹变化的规律F i g．５㊀V a r i a t i o no fG C F v s．c r a c k l e n g t h９７㊀第４期㊀黄祥兵等:基于裂纹扩展分析的船舶许用拖速计算模型㊀㊀㊀为了便于工程应用,利用数值拟合技术求出等效几何修正系数的计算公式,即βe f f ＝１．００６８(a /r )４－３．０６９８(a /r )３＋３．９５３６(a /r )２－２．４２９３(a /r )＋１．５６０９,a /r ＝０．１~１．１.３㊀船舶许用拖速的确定某失事船舶需要拖带,其阻力曲线如图６所示.在对该船实施尾拖过程中,其阻力通过拖带三角板施加在拖船上.要保证拖带时的拖速是安全的,需要从拖船的拖力㊁拖带三角板的承载能力等角度进行分析.图６㊀被拖船的阻力曲线F i g ．６㊀C u r v e o f r e s i s t a n c e o f t o w e d s h i p利用传统的强度理论,即式(３),取N ＝１．１,结合有限元分析,可得到此时的许用拖速[V ]为８．８k n .针对孔边裂纹,利用式(８)计算不同裂纹长度对应的许用拖速[V ],结果如图７所示.图中阴影部分即为安全拖速区.根据拖船的拖力曲线和被拖船的阻力曲线,可得出拖带中的最大拖速.当最大拖速大于前面计算的许用拖速[V ]时,必须降低到安全拖速区以内.图７㊀被拖船的许用拖速曲线F i g ．７㊀C u r v e s o f a l l o w a b l e s p e e do f t o w e d s h i p由图７可见,拖带三角板出现裂纹后,安全拖速大为降低;随着裂纹程度的增加,许用拖速不断减小.同时,图中给出了不同的裂纹长度对应的许用拖速.当拖带三角板出现一定长度的裂纹以后,只要拖速控制在对应的许用拖速之下,裂纹不会进一步扩展,船舶拖带的安全还是能保证的.４㊀结束语含裂纹的拖带三角板极大地影响了作业的安全,本文首先从线弹性断裂力学的角度,推导出船舶许用拖速的理论模型;然后,建立了许用拖速与裂纹长度间的定量关系;最后,对典型被拖船的许用拖速区进行了研究,结果表明:该模型能定量预测拖带作业的安全拖速,有较好的合理性,具有很好的工程应用前景.但该理论模型还需要进一步的完善,如考虑风浪㊁人因等因素的影响,使其更具有实用性.参考文献(R e f e r e n c e s):[１]㊀黄祥兵,张纬康,黄兴玲．舰艇单缆拖带安全与非线性运动特性试验研究[J ]．哈尔滨工程大学学报,２０１１,３２(１１):１４２８Ｇ１４３３．HU A N GX i a n g Ｇb i n g,Z HA N GW e i Ｇk a n g,HU A N GX i n g Ｇl i n g ．E x p e r i m e n t a l s t u d y on t h e s a f e Ｇt y an dc h a r a c t e r i s t i c so fn o n l i n e a r m o v e m e n to fa s h i p t o w e db y a s i n g l e c a b l e [J ]．J o u r n a l o fH a r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y,２０１１,３２(１１):１４２８Ｇ１４３３．(i nC h i n e s e)[２]㊀黄兴玲,黄祥兵．深潜器援潜救生作业综合安全评估[J ]．海军工程大学学报,２０１１,２３(６):１０１Ｇ１０６．HU A N G X i n g Ｇl i n g ,HU A N G X i a n g Ｇb i n g ．F o r m a l s a f e t y a s s e s s m e n to f D S R V ᶄsr e s c u ef o rd i s a b l e d s u b m a r i n e [J ]．J o u r n a l o fN a v a lU n i v e r s i t y o f E n g i Ｇn e e r i n g,２０１１,２３(６):１０１Ｇ１０６．(i nC h i n e s e )[３]F I T R I A D H Y A ,Y A S U K AWA H ,K OH K K．C o u r s es t a b i l i t y o fas h i p t o w i n g s y s t e m i n w i n d [J ]．O c e a nE n g i n e e r i n g,２０１３,６４:１３５Ｇ１４５．[４]㊀HU A N G XL ,HU A N G XB ．Ar i s k Ｇb a s e d c o n c e pＧt u a ld e s i g n m e t h o d f o rs u b m a r i n e r e s c u e v e h i c l e [J ]．A p pl i e d M e c h a n i c sa n d M a t e r i a l s ,２０１２,２０１:４７７Ｇ４８２．[５]㊀A N D E R S O N TL ．F r a c t u r eM e c h a n i c s :F u n d a m e n Ｇt a l sa n d A p pl i c a t i o n s [M ]．３r d E d ．N e w Y o r k :C R CP r e s s ;２００５．[６]㊀HU A N G XB ,L I U Y ,HU A N G XL ,e t a l ．C r a c ka r r e s tb e h a v i o ro fc e n t r a l Ｇc r a c k ed s t i f fe n e d p l a t e s u n d e r u n if o r mt e n s i o n s [J ]．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM e c h a n i c a l S c i e n c e s ,２０１７,１３３:７０４Ｇ７１９．０８ 海㊀军㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３０卷㊀。
