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1、船體結(jié)構(gòu)在水中長(zhǎng)期承受水壓等交變應(yīng)力的作用,極易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。復(fù)雜多變的海底環(huán)境使裂紋承受的載荷多是 I,II或 III型載荷的復(fù)合作用。因此有必要研究復(fù)合型加載下疲勞裂紋的擴(kuò)展特性。而高強(qiáng)鋼因?yàn)橛兄邚?qiáng)度和良好的韌性,使其作為船舶艦艇發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料而得以廣泛應(yīng)用。對(duì)某型號(hào)高強(qiáng)鋼及其焊接接頭采用I-II型復(fù)合加載方式進(jìn)行疲勞試驗(yàn),研究其裂紋擴(kuò)展特性。重點(diǎn)包括復(fù)合加載下的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI,KII的計(jì)算分析,及裂紋的擴(kuò)展路徑和擴(kuò)展速率。
2、分析閉合效應(yīng)對(duì)裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力及擴(kuò)展速率的影響,找出有效表征驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的參量的表達(dá)式。具體如下:
采用有限元計(jì)算KI,KII,發(fā)現(xiàn)其中的應(yīng)力外推法在使用8節(jié)點(diǎn)四面體單元,0.1mm網(wǎng)格建模計(jì)算時(shí)能很好地保證計(jì)算精度且計(jì)算效率高。分別對(duì)母材和焊縫CTS試樣進(jìn)行 I-II型復(fù)合加載,實(shí)測(cè)開(kāi)裂方向,發(fā)現(xiàn)與最大周向應(yīng)力準(zhǔn)則預(yù)測(cè)方向吻合。裂紋在母材和焊縫中分別各沿著某一方向擴(kuò)展基本不發(fā)生變化,但裂紋遇到焊縫與母材交界處時(shí)擴(kuò)展方向發(fā)生變
3、化。裂紋開(kāi)始擴(kuò)展后,KII急劇下降,KI增加,此后KII遠(yuǎn)小于KI。母材中裂紋擴(kuò)展速率大于焊縫中裂紋擴(kuò)展速率,發(fā)現(xiàn)材料性能和微觀組織影響擴(kuò)展速率,馬氏體阻礙裂紋的擴(kuò)展。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段擴(kuò)展速率曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn),分析掃描電鏡下的微觀斷口發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后裂紋的擴(kuò)展機(jī)制發(fā)生了變化,由疲勞斷裂轉(zhuǎn)為解理斷裂和疲勞斷裂的混合型。
采用Richard和Tanaka公式表示當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔKv,發(fā)現(xiàn)不同加載角度下的擴(kuò)展速率曲線 da
4、/dN-ΔKv不重合。說(shuō)明現(xiàn)有的應(yīng)用較廣的公式得到的ΔKv無(wú)法很好地描述復(fù)合加載下高強(qiáng)鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力。裂紋擴(kuò)展過(guò)程中存在閉合效應(yīng),這使得真正驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的有效載荷發(fā)生了變化。分析發(fā)現(xiàn)母材中的裂紋閉合程度低于焊縫,且處于一個(gè)較低水平。考慮閉合效應(yīng)對(duì)裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力的影響,用有效應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔKeff=UΔKv表征裂紋擴(kuò)展的真實(shí)驅(qū)動(dòng)力,發(fā)現(xiàn)修正效果一般??紤]復(fù)合型加載時(shí)加載和開(kāi)裂角度及閉合度對(duì)擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力的影響,提出一個(gè)新型描述復(fù)合加載
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