疲勞裂紋擴展速率的厚度效應研究.pdf

1、隨著船舶與海洋工程結構物的深海化、大型化，厚鋼板的應用日益廣泛，在不考慮厚鋼板焊接引起的缺陷情況下，厚鋼板本身的疲勞強度問題就令人擔憂。疲勞裂紋擴展速率（FCGR）方法被認為是下一代預測結構物疲勞壽命的方法，然而，人們通過FCGR試驗發(fā)現(xiàn)，試件厚度越大，F(xiàn)CGR越高。因此，研究FCGR的厚度效應，對于避免結構物疲勞壽命被低估有重要工程應用價值。
　　本文的厚度效應，是指在穿透裂紋前緣，由于不同厚度位置應力狀態(tài)不同，而導致FCGR存

2、在差異的現(xiàn)象。隨鋼板厚度的增加，厚度效應的具體表現(xiàn)是，厚度范圍內平面應變主導區(qū)域變大，總體的FCGR就會增加，趨向于平面應變狀態(tài)的FCGR。本文將通過試驗和有限元分析相結合的方法對此效應進行研究，主要研究內容及結果如下：
　　1）對高強鋼Q370qE三個相同尺寸試件進行了基于標準的FCGR試驗，得到了疲勞裂紋擴展的門檻值ΔKth及Paris公式中兩個材料參數(shù)C和m。試驗數(shù)據(jù)顯示，當疲勞載荷的Pmax接近標準規(guī)定的最大載荷時，試件兩

3、表面的裂紋長度差值減小。指出了一些標準試驗方法中的不足之處。
　　2）以平面裂紋，三維直線穿透裂紋，三維曲線形式穿透裂紋為研究對象，運用有限元方法求解斷裂力學參數(shù)，分別對模型網(wǎng)格大小，平面應力狀態(tài)模型厚度，應力強度因子、局部約束因子等參數(shù)計算方法及結果進行了討論。在計算曲線形式裂紋應力強度因子和局部約束因子時，研究了非正交網(wǎng)格對這兩個參數(shù)的影響，并給出了數(shù)據(jù)處理方法。
　　3）在討論了約束因子的研究背景及現(xiàn)狀的基礎上，本文提

4、出了局部約束因子的概念，量化了沿裂紋前緣分布的應力狀態(tài)。分析了應用約束因子表征應力狀態(tài)的限制，理論分析和有限元分析結果都顯示，除應力狀態(tài)外，較大的T應力也會對約束因子產生影響。應用局部約束因子完整的解釋了標準FCGR試驗中的試驗現(xiàn)象。研究了裂紋張口張開位移（CMOD）與總體約束因子的關系，提出了一個基于CMOD計算總體約束因子的思路。對比了試驗與仿真的CMOD結果，討論了結果差異較大的原因。
　　4）改進了FCGR試驗，應用本文提