劉燕紅,朱 錫,黃若波

(1.海軍工程大學 船舶與動力學院 湖北 武漢 430033;2.海軍駐滬東中華造船集團公司 軍事代表室,上海 200129)

船舶在波浪中航行時受載情況經(jīng)常變化,船體構(gòu)件長期處于交變應力狀態(tài),疲勞破壞是船舶結(jié)構(gòu)的主要破壞形式之一.對于水面艦船,為了保證其快速性和重量輕的要求,艦體結(jié)構(gòu)多采用較高強度材料,雖然高強度鋼的使用帶來了承載能力的增加,但并沒有使其疲勞強度有明顯提高,疲勞問題顯得尤為突出.目前,對于艦船來說,總縱強度的不足引起的失效事故很少,大量的破壞都是由于疲勞強度失效引起的,該問題促使人們對完整艦船結(jié)構(gòu)各種典型結(jié)構(gòu)節(jié)點的抗疲勞性能進行了廣泛研究[1-4],但對破損艦船剩余強度研究目前僅限于靜強度的研究[5-6],實際上艦船破損后在波浪周期性載荷作用下的疲勞斷裂問題是船體結(jié)構(gòu)破壞的主要因素,因此必須對破損艦船的抗疲勞斷裂性能進行研究,而已開展的相關疲勞強度研究很少.本文針對破損艦船結(jié)構(gòu)進行了破口裂紋擴展的疲勞強度試驗研究,以 907A鋼疲勞試樣為研究對象,在高頻疲勞裂紋擴展試驗的基礎上[7],采用預制缺口的艦體結(jié)構(gòu)平板和加筋板試樣,利用液壓伺服疲勞試驗機,進行了低頻疲勞試驗研究.

1 試驗設計

1.1 試驗設備及方法

由于艦船在波浪中的周期性載荷的頻率較低,一般艦船遭遇頻率為0.1～1 Hz,完全模擬波浪周期進行破損艦體結(jié)構(gòu)的低頻疲勞試驗研究,其價格貴、耗時太長,因此破損艦體結(jié)構(gòu)裂紋擴展試驗研究在考慮經(jīng)濟性條件下,確定本試驗采用液壓伺服試驗系統(tǒng)進行,試驗加載頻率取 4 Hz.并采用預制缺口平板和加筋板結(jié)構(gòu)試樣來研究破損艦體結(jié)構(gòu)在疲勞載荷作用下的裂紋擴展規(guī)律,從而考慮了艦船結(jié)構(gòu)中加強筋對裂紋擴展的影響.

本試驗用液壓伺服試驗機的伺服作動器的最大出力為250 kN,行程為±100 mm,最大速度可達160mm/s.試驗時的加載波形采用正弦波,疲勞載荷為 0,到最大拉應力即單向加載方式,以避免細長薄板結(jié)構(gòu)試樣在較高的壓縮應力作用下產(chǎn)生失穩(wěn).由計算機控制試驗過程和試驗數(shù)據(jù)采集.為了監(jiān)測試件開裂,在V型開口邊緣0.05 mm處設置應變計,采用 DH5937動態(tài)應變測量系統(tǒng)進行荷載和應變大小的實時監(jiān)測,當應變計信號發(fā)生突變時,該時刻可作為起裂點,裂紋長度設定為0.05 mm.

1.2 試樣設計

試驗將設計 2種結(jié)構(gòu)形式的單元結(jié)構(gòu)模型,分別模擬破損艦船在波浪中航行時裂紋通過艦體外板中的平板區(qū)和加筋區(qū)的擴展情況.加強筋結(jié)構(gòu)采用扁鋼加筋.此外,通過調(diào)整試驗載荷來獲取更多的裂紋擴展試驗結(jié)果,尋找波浪載荷作用下破損艦船的裂紋擴展規(guī)律.

本試驗所用材料為調(diào)質(zhì)狀態(tài)的 907A鋼,該批號鋼材的常規(guī)力學性能指標為:σs=410 MPa,σb= 600MPa,δ=27%,Ψ=72%.

試驗加工制作了平板和加筋板兩種試樣,其中平板試樣為 4件,加筋板試樣為 2件,試樣長度和寬度為300 mm×100 mm,加筋扁鋼厚度和高度為5 mm×40mm.為了保證裂紋在中部擴展,在板長邊中部將板削薄,該處板厚度和寬度為 5 mm× 100mm,V型開口寬度和深度為40 mm×40mm,具體外形形狀見圖1所示.

圖1 試件外形圖Fig.1 The figure of specimen for fatigue test

1.3 試驗實施

試驗在華中科技大學結(jié)構(gòu)實驗中心進行,試驗加載頻率取4Hz,應力比最大應力為120、160、200、240MPa 4個等級,對應的相應加載應力幅值為:0.293、0.390、0.488、0.585.試驗溫度為20～25℃.裂縫長度按每隔 4 mm記錄一次加載次數(shù),直到20 mm為止.

圖2 試件安裝圖Fig.2 The figure of specimen fixing

試驗過程中,每隔 4mm記錄一次加載次數(shù)后,考慮已有裂縫長度對加載應力的影響,進行載荷調(diào)整,保持裂紋斷面有效面積上的應力不變即裂紋斷面恒應力狀態(tài).試驗試件安裝如圖2所示.

2 試驗結(jié)果

2.1 907A平板裂紋擴展試驗結(jié)果

按照4種試驗加載應力的荷載工況進行了907A平板試樣的疲勞斷裂和裂紋擴展試驗,試驗數(shù)據(jù)見表 1,以加載次數(shù)為橫坐標,裂紋擴展長度為縱坐標,作出 4個試樣的疲勞斷裂和裂紋擴展過程,見圖3所示.

教師要加強學生們理想信念的教育。高中學生正處在身心發(fā)展的關鍵性時期，學生們的人生觀，世界觀，價值觀在高中時期逐漸成型。教師們要從以下幾個方面來加強學生們的理想信念教育。例如要加強對學生們主流的思想意識培養(yǎng)，加強社會主義信念以及中國夢的思想教育，培養(yǎng)學生們的愛國主義情懷。其次要積極地探索大學生們的理想信念的培養(yǎng)方法，多開展一些社會性調(diào)查實驗活動，帶領學生們參觀一些愛國主義教育基地，加強學生們思想理念的健康成長，在對每一屆的高中生進行升學入學過程當中都要對其進行職業(yè)化的思想理念教育，不斷激發(fā)學生們努力上進，發(fā)奮學習，不斷報效祖國的堅定使命感和責任心。

圖 3 907A平板試件裂縫長度與加載次數(shù)曲線Fig.3 The curve of crack length and number of cycles of 907A plate structure

表1 907A平板裂紋開裂與擴展試驗數(shù)據(jù)Tab le 1 Experimental data of crack initiation and p ropagation o f 907A p late structure

由表 1和圖 3可看出,對于 907A平板試樣,保持裂紋尖端恒應力,裂縫擴展長度與加載次數(shù)基本呈線性變化,即同一試件其裂紋擴展速率基本不變;另外隨著應力增加裂紋擴展同樣長度所需的加載次數(shù)減少,即隨應力增加,裂紋擴展速率加快.

2.2 907A加筋板裂紋擴展試驗結(jié)果

加筋板結(jié)構(gòu)為艦體常用結(jié)構(gòu),按照 2種試驗加載應力的荷載工況進行的 907A加筋板結(jié)構(gòu)試樣的疲勞試驗,疲勞試驗數(shù)據(jù)及其裂紋擴展過程如表 2和圖 4所示,裂紋在平板和加筋上的擴展方向如圖5所示.

圖 4 907A加筋板試件裂縫長度與加載次數(shù)曲線Fig.4 The curve of crack length and number of cycles of 907A stiffened p late structure

表 2 907A加筋板裂紋開裂與擴展試驗數(shù)據(jù)Table 2 Experim ental data of crack initiation and propagation of 907A stiffened plate structure

圖 5 裂紋在平板和加筋上擴展方向示意圖Fig.5 Sketch of crack propagation path in plate and stiffened p late

從表 2和圖 4可看出,對于 907A加筋板試樣,保持試樣斷面端恒應力,加載次數(shù)與裂縫長度基本呈兩段線性變化,即在過加筋前后,裂紋擴展速度不一致,開始較慢后來加快,表明加筋對裂紋擴展有止裂性;另外隨著應力增加擴展同樣長度裂紋加載次數(shù)減少,即隨應力增加,平均裂紋擴展速率增加.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 平板和加筋板試樣不同加載應力下的疲勞臨界開裂次數(shù)

以裂紋擴展0.05mm處的疲勞循環(huán)次數(shù)作為平板和加筋板試樣的疲勞開裂臨界次數(shù),綜合表 1和表 2得出不同應力下預制缺口平板和加筋板試樣開裂的疲勞臨界次數(shù)如表3所示.

從表 3可知,隨加載應力增大,試樣疲勞開裂臨界次數(shù)減少;同一應力下,加筋板試樣疲勞開裂臨界次數(shù)與平板相比有高有低,說明開裂與加筋的關系不大,主要取決于應力狀態(tài)和缺口形狀.表 3中裂紋擴展至0.05 mm時的疲勞次數(shù)并不符合上述結(jié)論,主要原因是開裂過程受缺口初始形狀影響較大.因此對實際連續(xù)加筋板而言,建議采用平板試樣確定疲勞開裂次數(shù).由表 3可以擬合出平板試樣在不同加載應力下疲勞開裂的臨界次數(shù),即

式中:k為相對應力幅值,k=σ/σs;Nc為疲勞臨界開裂次數(shù),次.

表 3 不同加載應力下試樣疲勞開裂臨界次數(shù)Tab le 3 Critical initiation crack cycle num ber under different fatigue load

對于破損艦船結(jié)構(gòu),如果已知破口處的最大拉伸應力σ和材料屈服極限 σs,則可根據(jù)式(1)計算破口開裂的疲勞臨界開裂次數(shù),從而估算破口開裂以前的疲勞壽命.根據(jù)艦船全壽命周期最高疲勞次數(shù)約為N=1×108次,則計算可得,當破口處相對加載應力幅值 k=σ/σs＞0.038時,破口將會產(chǎn)生疲勞開裂.以波浪遭遇頻率為0.2 Hz計算,破口處應力幅值達到k=σ/σs=0.678時,則破口在一個小時左右就產(chǎn)生開裂和裂紋擴展.

3.2 平板試樣裂紋擴展速度分析

根據(jù)表1的試驗數(shù)據(jù),計算了 907A平板試樣在不同擴展時段的裂紋擴展速率da/dN見表4,并用最小二乘法擬合計算了不同載荷工況下試樣裂紋擴展總的平均速率,見表5.

表4 907A平板裂紋擴展速率Tab le 4 Crack p ropagation rate o f 907A p late structure

表5 907A平板應力-平均裂紋擴展速率表Table 5 Stress and mean crack propagation rate o f 907A p late structure

從上表可以看出,應力越高,平均裂紋擴展速率越大.由表 5數(shù)據(jù)可以給出平板的平均裂紋擴展速率與相對應力幅值關系的經(jīng)驗回歸曲線[7]:

式中:da/dN為裂紋擴展速率,毫米每萬次;a為裂紋擴展長度,mm;N為載荷周期性變化的次數(shù),萬次;k為相對應力幅值,為疲勞應力,MPa; σs為材料屈服極限,MPa;β為厚度影響因子,t0=5 mm,t為鋼板厚度,mm.

依據(jù)上述裂紋長度、疲勞載荷循環(huán)次數(shù)、裂紋斷面疲勞應力關系式,可為破損艦船結(jié)構(gòu)在波浪中航行時的裂紋擴展情況預報提供參考.

運用式(2)可對破損艦船的裂紋擴展進行預報,如破損船體板厚t=10mm,取相對應力幅值k為0.2、0.4、0.6,艦船波浪遭遇頻率為0.2 Hz,則艦船在破口 1 m處裂紋擴展1 h后,其裂紋擴展長度值見表6所示.

表6 相對應力幅值1 h的裂紋擴展Table 6 C rack p ropagation length within one hour under relative stress amp litude

3.3 加筋板試樣裂紋擴展速度分析

根據(jù)表2的試驗數(shù)據(jù),計算了 907A加筋板在不同擴展時段的裂紋擴展速率da/dN,加筋板平板裂紋擴展速率見表 7所示,加筋板筋板裂紋擴展速率見表 8所示,并用最小二乘法擬合計算了 907A加筋板在不同加載應力下的平均裂紋擴展速率da/dN,見表9所示.

表7 907A加筋板試樣平板裂紋擴展速率Table 7 Plate crack p ropagation rate of 907A stiffened p late structure

表8 907A加筋板試樣筋板裂紋擴展速率Table 8 Stiffener crack propagation rate of 907A stiffened plate structure

表9 907A加筋板試樣平板及筋板的平均裂紋擴展速率Tab le 9 Mean crack p ropagation rate of 907A stiffened p late structure stress amp litude

從表 7～9中可以看出,應力越高,平均裂紋擴展速率越大;加筋板筋板裂紋擴展速度比加筋板平板大,這是因為裂紋開裂過程中,由于偏心作用引起了裂紋尖端彎曲應力,彎曲應力對加筋板筋板的裂紋擴展影響較大.通過比較表 5和表9,在相同載荷下,加筋板裂紋擴展速率比平板小,說明加筋對裂紋具有一定的止裂性;但裂紋擴展至加強筋處時,裂紋擴展速度雖會減小,加強筋仍然會開裂,說明加筋不能完全阻止裂紋擴展.

3.4 與文獻[8]高頻疲勞時裂紋平均擴展速率的比較

在艦體結(jié)構(gòu)中,引起疲勞損傷的交變應力主要有波浪誘導載荷和諸如主機和螺旋漿等機械方面的來源.艦船在不同海況不同航速下結(jié)構(gòu)承受的交變應力即有低頻成分又有高頻成分存在,如在高海況高航速時,船體大幅運動引起的船底砰擊和首外飄砰擊會產(chǎn)生與船體梁總振動頻率相一致的高頻顫振應力成分,因此,對于船體疲勞損傷分析即要考慮低頻疲勞影響又要考慮高頻疲勞影響.下面依據(jù)文獻[8]列出 907A結(jié)構(gòu)在高頻疲勞載荷不同應力下的平均裂紋擴展速率表見表10.

表 10 艦體結(jié)構(gòu)在不同應力下的高頻疲勞平均裂紋擴展速率Table 10 Mean crack propagation rate of ship structure under high frequency fatigue and different stress

比較表 5、表 9和表 10可知,高頻時裂紋的平均裂紋擴展速率比低頻時低,這表明艦船結(jié)構(gòu)承受的疲勞載荷中低頻波浪載荷危險性更大,而由于船體結(jié)構(gòu)顫振引起的高頻疲勞損傷較小,這與文獻[9]中對軍艦結(jié)構(gòu)的疲勞損傷預報結(jié)論是一致的.

4 結(jié) 論

根據(jù)預制缺口平板和加筋板試樣的低頻疲勞試驗結(jié)果可得如下結(jié)論:

1)本文預制缺口試樣在拉伸疲勞載荷作用下的疲勞開裂臨界次數(shù)和裂紋擴展速率試驗結(jié)果對預報破損艦船在波浪中航行時的裂紋擴展情況具有重要參考價值;

2)裂紋擴展到加強筋之前,裂紋擴展速度較之后擴展速率增大,說明加強筋有一定的止裂作用,但不能完全阻止裂紋擴展;

3)預制缺口試樣的疲勞開裂臨界次數(shù)與試樣的加載應力幅值有關,由試驗數(shù)據(jù)擬合了相應計算公式,該公式可用于估算破口開裂以前的疲勞壽命.

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