CN111175158A - 一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样，所述的试样为在基底平板上制作的缩比尺开口试样，其特征在于，所述的缩比尺开口试样的原型为中央开口并具有对称性四个角隅的开口结构中的一个角隅，包括基底平板上部、基底平板下部和在基底平板中部挖孔后形成的开口角隅区域，在基底平板上部和基底平板下部分别设置有上销钉孔和下销钉孔，在开口角隅区域的开口处预制有缺陷尖端。本发明可以用来定量研究角隅处的疲劳裂纹扩展规律。
Description
技术领域
本发明涉及一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样，通过在(腐蚀、高温、高压)疲劳试验机上对缩比尺的开口角隅试样进行疲劳拉伸试验，既可定性对船舶舱口开孔、飞行器舷窗开孔等开口结构处的不同角隅形状和尺寸进行优化选择，也可定量测量不同角隅形式的疲劳裂纹扩展速率。此外，还可以探究材料的种类、厚度以及环境等因素对开口结构疲劳性能和强度的影响，从而对开口结构角隅疲劳的前期理论推导和有限元模拟结果进行疲劳物理试验对比验证，增强研究成果的可靠性和科学性。
背景技术
疲劳破坏是船舶与海洋工程结构和航空器零部件破坏的主要原因之一。疲劳问题最初是由德国工程师Albert于1829年在研究焊接链条断裂时提出，1839年Poncelent在巴黎大学演讲时首次正式提出了疲劳这一概念。在1852-1870年间，德国铁路工程师奥格斯特·维勒(August
)首次进行了系统性的疲劳研究，设计发明了第一台疲劳试验机，研究了疲劳寿命与应力的关系并提出了S-N曲线。在此之后，Ewing和Hunfery首次发现了疲劳滑移痕迹与微裂纹。一直以来，船舶结构的疲劳和断裂问题都是造船界所关注的热点课题，但是直到70年代末才开始被人们重视起来。
为满足特定的空间和装卸需求，一些大型船舶会在舷侧部位或甲板上设置大开口结构，例如某集装箱船的开口横向长度甚至占到了甲板全宽的1/5，大开口的存在中断了甲板在船长方向上的连续性，形成几何上的突变，导致甲板应力的重新分配。船舶在随机波浪中航行时，船体的垂向弯曲、水平弯曲及扭转变形使大开口处产生极高的应力，导致严重的应力集中现象，并且应力集中区域在拉压循环载荷作用下，很容易产生疲劳破坏以及脆性断裂，导致局部结构失效甚至整船折断的重大事故，严重威胁船体结构和人员的安全。对于豪华邮轮等载客船舶，为了布置观景阳台也会在舷侧板架设计大量开口结构，事实证明，大多数船舶海损事故就是因为船上开口角隅处的应力集中而引起的疲劳破坏。
目前，针对开口结构角隅区域疲劳性能的研究主要集中在有限元模拟上，例如申请号为201920532249.5的专利通过有限元软件进行数值模拟计算，公开了一种新型抗疲劳舱口角隅的优化设计形式，但没有通过试验进行对比验证，无法知晓其在实际工程中的应用情况。再如以申请号201110452375.8为例的大多数专利均采用紧凑拉伸(CT)试样来测量疲劳裂纹扩展参量，无法针对开口结构的角隅特定区域展开疲劳研究。还有一些针对开口结构的物理试验主要关注点在结构开口后对整体强度的影响以及角隅形状对应力集中系数的影响上，未见有通过缩比尺疲劳试验对开口角隅区域的疲劳问题展开过研究的文献报道。
发明内容
为了克服现有研究方法的不足，本发明提供了一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样，针对某种开口结构通过缩比尺疲劳试验确定其角隅区域优选形式，可以用来定量研究角隅处的疲劳裂纹扩展规律。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样，所述的试样为在基底平板上制作的缩比尺开口试样，其特征在于，所述的缩比尺开口试样的原型为中央开口并具有对称性四个角隅的开口结构中的一个角隅，包括基底平板上部、基底平板下部和在基底平板中部挖孔后形成的开口角隅区域，在基底平板上部和基底平板下部分别设置有上销钉孔和下销钉孔，在开口角隅区域的开口处预制有缺陷尖端。
进一步地，所述的测量试样的开口角隅区采用直角、内圆角、外圆角、椭圆或抛物线中的一种作为过渡形式。
所述的开口结构的外形为正方形、矩形或圆形。
缩比尺开口试样为上下对称结构。
在缩比尺开口试样表面固定有作为附加构件的肋板或肘板。
利用本发明提出的开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样，可以针对开口结构角隅区域的特点展开疲劳性能研究和疲劳裂纹扩展速率的测量，针对性和准确性较强。
附图说明
图1是本发明开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样2的三维视图；
图2是本发明裂纹扩展测量试样开口角隅区域预制缺陷尖端3的局部细节图；
图3是本发明裂纹扩展测量试样开口角隅区域的有限元分析应力分析云图。
附图标记列表：
其中，1—上销钉孔；2—开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样；3—预制缺陷尖端；
4—开口角隅区域；5—下销钉孔。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明提出一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样2，包括上销钉孔1、预制缺陷尖端3、开口角隅区域4和下销钉孔5。应首先选定试验所需材料作为基底平板，根据对称性原则，本缩比尺开口试样选取的是原型结构中央开口后形成四个角隅区域的其中一个角隅处作为研究对象，即1/4原型结构缩比尺试样，挖孔后形成的其中一个边角处即为开口角隅区域4。
开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样2的基底平板根据疲劳试验机的量程、尺寸限制和研究任务需要，设计成正方形、矩形甚至圆形等任意形状，在其内部中央挖孔后形成一个开口角隅区域4。开口角隅试样的上销钉孔1和下销钉孔5的直径应相同，供销钉贯穿后与疲劳试验机的夹具相连接。
中央开口形状根据拟研究区域的特征确定，为研究方便一般设计为正方形开口，即试样为上下对称结构，试样形式和尺寸也可以根据试验需要进行更改，包括在开口试样上焊接肋板、肘板等附加构件；
所述角隅疲劳试样可以根据研究任务要求，选用不同材料的基底平板试样对其开口后形成的角隅区域疲劳性能展开研究，对比材料对角隅疲劳的影响；
所述角隅疲劳试样可以根据研究任务要求，选用不同厚度的平板试样对其开口后形成的角隅区域疲劳性能展开研究，对比厚度对角隅疲劳的影响；
所述角隅疲劳试样的开口角隅区域4可以设计成直角、内圆角、外圆角、椭圆或抛物线等不同的过渡形式，定性研究不同角隅的形状和尺寸(用圆角半径、椭圆度、曲率等数据表征)对开口试样疲劳特性的影响，本专利附图以外圆角型角隅为例。
所述角隅疲劳试样可以根据研究任务要求，将试样置于室内、高温、高压、腐蚀及化学试剂等特定环境中，可以研究单一或多种环境因素耦合条件作用下，对开口试样角隅区域疲劳性能的影响。
所述角隅疲劳试样的顶部和底部各开挖一个厚度与基底平板相同的销钉孔1和5，使用销钉贯穿后与疲劳试验机的夹具相连接，定位和固定开口结构角隅疲劳及裂纹扩展试样2与疲劳试验机的相对位置。
所述角隅疲劳试样在开口角隅区域4的中心线处应预制缺陷尖端3，采用直流电压降等方法可以测量疲劳裂纹扩展速率，推导裂纹扩展规律，定量研究不同角隅形式的疲劳性能和裂纹扩展特点。
作为优选，所述角隅疲劳试样的上销钉孔1和下销钉孔5的直径应略大于销钉的直径，防止各部件之间发生摩擦侵蚀而影响疲劳试验结果；
作为优选，所述角隅疲劳试样的上销钉孔1和下销钉孔5的直径也不宜过大，防止销钉与零件间由于定位和固定不达标而发生相对滑动导致偏心荷载的产生，而影响疲劳试验结果。
作为优选，所述用于连接试样和疲劳试验机的销钉及夹具等零部件应该定期检查和更换，防止销钉或夹具在疲劳试验过程中，因自身疲劳破坏后断裂而导致试验异常中止，提高试验装置的安全性和可靠度。
于固定和连接试样和疲劳试验机的销钉、夹具等常见构件应该按照国家机械制造的相关标准生产，严格控制构件质量，防止制造工艺对试验产生影响。
首先应根据研究任务需要，设计开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样2的形式，通过前期有限元计算确定开口试样的最终样式和尺寸并进行生产制造，在试样制造时应提前在开口角隅区域的中心线处预制缺陷尖端3，之后确定疲劳试验的组次和加载方案。开口角隅区域预制缺陷尖端3的有限元分析结果如图3所示，此外还可以用Franc 3d等专业模拟软件进行裂纹扩展数值计算，用作与疲劳物理试验的对比。
开口角隅区域预制缺陷尖端3的宽度可取为2mm，深度可取为5mm，也可根据研究需要作出更改。
在运用断裂力学进行疲劳研究时，通常采用Paris公式：
的基本原理，其中a——裂纹深度或宽度；N——应力循环次数；C、m——与材料有关的参数；ΔK——应力强度因子变化范围，且
Y是材料形状参数。在进行疲劳试验设计时，通常会根据循环荷载的特点，由循环应力水平基本量(σmax和σmin)来定义应力范围Δσ和应力比(循环特征参数)R两个疲劳特征变量,用来描述应力循环的特征。在一次交变荷载中，应力幅σa是主要控制参量，应力比R是重要影响参量，定义应力比
有学者考虑了应力比R对裂纹扩展参数的影响后，提出改进公式：
其中K1c为断裂韧性，这说明一般随着应力比R增大，da/dN也会增大；同时考虑到Kmax趋近K1c时da/dN急剧增加的趋势，建议用上式进行计算。可以依据以上基本原理，采用直流电压降(DCPD)等测量方法，在具备测量裂纹扩展参数条件的疲劳试验机上，利用本发明提出的开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样，针对开口结构角隅区域的特点展开疲劳性能研究和疲劳裂纹扩展速率的测量，针对性和准确性较强。
针对船舶和航空器等在运行过程中存在的疲劳失效问题，在经过对角隅疲劳的前期理论推导和有限元模拟计算并得到一些初步结论后，针对拟研究的特定对象设计其开口角隅疲劳及裂纹扩展测量试样形式，可以定性对比不同角隅形式对疲劳性能的影响，也可定量测量不同形式角隅处的疲劳裂纹扩展速率，采用本专利公开的技术方法，补充对理论研究和有限元计算的疲劳物理试验对比验证过程，保证最终研究成果的可靠性和正确性。
Claims (5)
1.一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样，所述的试样为在基底平板上制作的缩比尺开口试样，其特征在于，所述的缩比尺开口试样的原型为中央开口并具有对称性四个角隅的开口结构中的一个角隅，包括基底平板上部、基底平板下部和在基底平板中部挖孔后形成的开口角隅区域，在基底平板上部和基底平板下部分别设置有上销钉孔和下销钉孔，在开口角隅区域的开口处预制有缺陷尖端。
2.根据权利要求1所述的测量试样，其特征在于，所述的测量试样的开口角隅区采用直角、内圆角、外圆角、椭圆或抛物线中的一种作为过渡形式。
3.根据权利要求1所述的测量试样，其特征在于，所述的开口结构的外形为正方形、矩形或圆形。
4.根据权利要求1所述的测量试样，其特征在于，缩比尺开口试样为上下对称结构。
5.根据权利要求1所述的测量试样，其特征在于，在缩比尺开口试样表面固定有作为附加构件的肋板或肘板。
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