CN111665132A - 一种开口角隅疲劳裂纹扩展测量方法 - Google Patents

一种开口角隅疲劳裂纹扩展测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种开口角隅疲劳裂纹扩展测量方法，所采用的开口角隅试样，包括基底平板，在基体平板的一个侧边开挖有根据开口结构原型的一个边角设计的开口角隅区域，在开口角隅区域的边角顶点处设置有预制缺陷尖端，沿预制缺陷尖端内延伸有预制疲劳裂纹，在开口角隅区域及预制疲劳裂纹的两侧各开挖一个销钉孔。在进行疲劳裂纹扩展试验时，在开口角隅试样上实时测量在数值模拟时设定的两参考点之间的实际相对位移Vx，根据无量纲换算后的Ux‑a/W关系式，由所测得的裂纹尖端位移Vx计算得到裂纹长度a，用f‑a/W之间的关系式计算得到此时裂纹尖端的应力强度因子K。

Description

一种开口角隅疲劳裂纹扩展测量方法
技术领域
本发明涉及一种非标准开口角隅试样，针对其结构特点提出一种基于柔度法的疲劳裂纹扩展测量方法。
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，在1852-1870年间，德国铁路工程师奥格斯特·维勒(August
Figure BDA0002544490810000011
)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。开口结构的存在中断了其在长度方向上的连续性而形成几何上的突变，导致应力的重新分配。例如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作业人员的安全。
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，申请号为201920532249.5的专利通过有限元软件进行数值模拟计算，提出一种角隅优化方法但缺乏试验验证过程。王朕峰利用有限元方法计算了二维和三维CT试样的应力强度因子，殷金泉等利用扩展有限元方法进行了平板裂纹扩展数值模拟。而对疲劳裂纹扩展规律的研究大多按照行业规范上的标准试样和试验方法开展，以申请号201110452375.8为例的大多数专利均采用紧凑拉伸(CT)试样和直流电压降法来测量标准试样的疲劳裂纹扩展规律，而对开口角隅结构缺乏一定针对性。开口角隅区域由于其几何不连续性易产生应力集中现象，是结构疲劳损伤的热点区域，因此有必要使用非标准试样研究其裂纹扩展规律。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明在所设计的开口角隅试样基础上给出开口角隅疲劳裂纹扩展测量方法，本发明基于柔度法给出裂纹长度与裂纹尖端应力强度因子K的数量关系，使得非标准试样的裂纹扩展长度在疲劳试验中的动态测量得以实现。在经过前期理论推导和数值模拟后，可以确定开口角隅区域的尺寸和形式，针对某种形式的开口角隅试样进行疲劳试验，从而补充对数值模拟的物理试验对比和验证过程，保证研究成果的可靠性和正确性。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种开口角隅疲劳裂纹扩展测量方法，所采用的开口角隅试样，包括基底平板，在基体平板的一个侧边开挖有根据开口结构原型的一个边角设计的开口角隅区域，在开口角隅区域的边角顶点处设置有预制缺陷尖端，沿预制缺陷尖端内延伸有预制疲劳裂纹，在开口角隅区域及预制疲劳裂纹的两侧各开挖一个销钉孔；测量方法包括如下的步骤：
(1)准备基体平板，根据开口结构原型，设计开口角隅试样形式，并加工开口角隅试样；
(2)建立开口角隅试样的有限元模型，分别沿开口角隅的边角顶点的中心线方向设置不等的裂纹长度，模拟当裂纹扩展到指定裂纹长度时裂纹尖端的应力场和应变场；从数值模拟结果中，提取指定裂纹长度a时对应的裂纹尖端的应力强度因子K；提取此时开口角隅试样位于开口角隅区域两侧的两个参考点在荷载作用下的裂纹张开位移Vx；
(3)开口角隅试样的柔度是指裂纹尖端位移Vx与此时施加荷载Px的比值，将数值计算结果中的柔度和应力强度因子K分别改用无量纲参数Ux和f表达，并以裂纹长度a与试样宽度W的比值a/W来表示相对裂纹长度：
Figure BDA0002544490810000021
式中，Ux—无量纲柔度；f—无量纲应力强度因子；B—试样厚度(mm)；E—弹性模量(Mpa)；Vx—裂纹尖端位移(mm)；Px—施加在耦合点的载荷(N)；
(4)在进行多组数值计算得到试样在不同裂纹长度a时相应的柔度Vx/Px后，并根据步骤(3)进行无量纲化处理，然后拟合出无量纲柔度Ux和设定的相对裂纹长度a/W的数量关系表达式；
(5)为了进一步得到指定裂纹长度a时裂纹尖端的应力强度因子K，拟合数值计算结果中的无量纲应力强度因子f和相对裂纹长度a/W的数量关系；
(6)在进行疲劳裂纹扩展试验时，在开口角隅试样上实时测量在数值模拟时设定的两参考点之间的实际相对位移Vx，根据无量纲换算后的Ux-a/W关系式，由所测得的裂纹尖端位移Vx计算得到裂纹长度a，用f-a/W之间的关系式计算得到此时裂纹尖端的应力强度因子K。
优选地，所述的开口角隅区域设计成直角、圆角、椭圆或抛物线过渡形式。
附图说明
图1是本发明开口角隅试样2的三维示意图；
图2(a)是本发明开口角隅试样2的详细尺寸图，图2(b)本试样预制缺陷尖端3处的局部细节图；
图3是本开口角隅试样2的开口角隅区域4附近的数值模拟应力分析云图；
图4(a)是从有限元分析软件中提取的裂纹尖端应力强度因子K，图4(b)有限元分析软件中提取的两参考点间的裂纹张开位移COD；
图5是数值模拟结果中拟合得到的相对裂纹长度a/W与无量纲柔度Ux之间的曲线关系图；
图6是数值模拟结果中拟合得到的无量纲引力强度因子f与相对裂纹长度a/W之间的曲线关系图；
其中，1—上销钉孔；2—开口角隅试样；3—预制缺陷尖端；4—开口角隅区域；5—下销钉孔；6—预制疲劳裂纹。
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。
通过前期的有限元计算结果得出裂纹长度与试样两参考点间的裂纹张开位移COD的数量关系，进而通过高次多项式拟合得到裂纹尖端应力强度因子K与裂纹长度的显式关系式。随后在(腐蚀、高温、高压)疲劳试验机上对开口角隅试样进行疲劳拉伸试验，利用上述关系式基于柔度法实现对裂纹扩展长度的动态测量，最终根据试验结果通过Paris公式得到开口角隅试样的裂纹扩展速率。本发明不仅可以定性对诸如核反应设施物料口、大型船舶舷侧开口、飞行器舷窗等开口结构处的不同角隅形状和尺寸进行优化选择，还可以进一步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。针对开口结构角隅区域的疲劳问题，在前期理论研究和数值模拟的基础上增加疲劳物理试验的对比验证过程，增强研究成果的可靠性和科学性。
如图1和图2所示，本发明提出一种开口角隅试样2，包括上销钉孔1、预制缺陷尖端3、开口角隅区域4、下销钉孔5和预制疲劳裂纹6。应首先选定与前期数值计算各项属性相同的材料作为基底平板，并根据选定的开口角隅形式进行切割挖孔，并采用线切割方法预制疲劳裂纹6。根据对称性原则，本开口角隅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。
开口角隅试样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，在其内部切割挖孔后即可形成一个开口角隅区域4。中央开口形状根据拟研究区域的特征确定，一般设计为矩形(正方形)开口，部分结构可能为椭圆开口，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；开口角隅试样2可以根据研究任务要求，选用不同材料甚至多层复合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；开口角隅试样2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；
所述开口角隅试样2需要以预制疲劳裂纹6作为初始裂纹长度，并以此为基础进行疲劳拉伸试验研究角隅区域的裂纹扩展规律，为了方便采用线切割方法得到预制疲劳裂纹6，在开口角隅区域4的圆角水平中心线处应预先加工出预制缺陷尖端3。
开口角隅试样2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，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，本专利附图中以内圆角型角隅为例。
开口角隅试样2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。
开口角隅试样2的顶部和底部各开挖一个厚度与基底平板相同的上销钉孔1和下销钉孔5，使用销钉贯穿后与疲劳试验机的夹具相连接，定位和固定开口角隅试样2与疲劳试验机的相对位置。
本发明针对非标准试样的裂纹长度动态测量问题，提出一种基于柔度法的解决方案。一般测量采用的目测法需要消耗较大的人力和时间成本，电位法经常用于规范中的标准试样(例如CT试样等)的裂纹测量，并需要搭配疲劳试验机厂家提供的专用软件和电位测量设备使用，针对本开口角隅试样2的特点，宜采用柔度法进行裂纹长度的动态测量。柔度法是一种测量裂纹长度的间接方法，不受所研究的裂纹体几何形状和所受载荷复杂性的限制，其原理是：随着裂纹在交变应力作用下的不断增长，试样的刚度降低、柔度增大，经过前期标定裂纹长度和柔度得到对应的关系式后，在试验时通过载荷传感器测得试样所受的实际循环载荷P，利用COD引伸计测得试样的实际裂纹张开位移V，换算得到试样的无量纲柔度并利用关系式进行转换即可间接得到裂纹长度。
由于疲劳裂纹扩展速率与试样的几何形状、材料、厚度等息息相关，本发明中仅以图2所示的开口角隅试样尺寸为例进行阐述，以下得到的数量关系也是适用图2所示的试样形式，其他任意尺寸和形式开口角隅试样2的疲劳裂纹扩展规律可以根据本发明所述试验方法同理测得。本发明中，荷载加载线是指上销钉孔1与下销钉孔5圆心之间的连线，图2(a)中的中断线；裂纹长度a是指从荷载加载线到裂纹尖端的距离；试样宽度W是指从裂纹加载线到试样右端面的距离，是一个固定值，在图2所示的试样中W＝30mm。
图2所示的开口角隅试样2的厚度为5mm，角隅处圆角半径为5mm，为了方便采用线切割方法预制疲劳裂纹6，在角隅圆弧顶点处应预先加工出预制缺陷尖端3。在开口角隅试样2的顶部和底部方各挖空一直径为9.5mm的上销钉孔1和下销钉孔5，两圆孔直径相同且略大于销钉直径，以供销钉穿过试样与夹具后与疲劳机进行固定。
用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。
本发明的具体操作流程如下：
首先应根据研究任务需要设计开口角隅试样2的形式，选定所需的研究材料，本发明中以Q345钢材为例。通过前期数值模拟和优化设计确定用于疲劳试验的开口角隅试样2的最终样式和各项尺寸，本发明中以图2所示的试样形式为例。为了方便采用线切割方法得到预制疲劳裂纹6，应在开口角隅区域4的圆角顶点中心线处提前加工出预制缺陷尖端3，可以采用围线积分、VCCT等传统有限元方法或者扩展有限元方法等一系列方法对开口角隅试样2进行数值模拟，开口角隅区域4的应力云图结果如图3所示。
在建立开口角隅试样2的有限元模型时，分别沿开口角隅顶点的中心线方向设置a＝10-25mm不等的裂纹长度，模拟当裂纹扩展到以上指定长度时裂纹尖端的应力场和应变场。从数值模拟结果中，可以提取上述指定裂纹长度a时的裂纹尖端的应力强度因子K，如图4(a)所示。之后提取此时开口角隅试样2位于开口角隅区域4两侧的两个参考点在荷载作用下的位移，称之为裂纹张开位移COD，如图4(b)所示。由于将数值模拟时坐标系的x轴设置为开口角隅试样2的水平对称轴，所以上下两个参考点提取的位移分别为正值和负值，将提取出的两点位移绝对值相加即可得两点之间的相对位移COD。
此外，为了减小尺度效应对计算结果的影响，将数值计算结果中的柔度和应力强度因子K分别改用无量纲参数Ux和f来表达，并以裂纹长度a与试样宽度W的比值a/W来表示相对裂纹长度。
Figure BDA0002544490810000051
式中，Ux—无量纲柔度；f—无量纲应力强度因子；B—试样厚度(mm)；E—弹性模量(Mpa)；Vx—裂纹尖端位移COD(mm)；Px—施加在耦合点的载荷(N)
为了实现对裂纹长度的动态测量，需要根据数值模拟结果总结出裂纹尖端张开位移(COD)与相对裂纹长度a/W之间的数量关系。在进行多组数值计算得到试样相应的柔度(裂纹尖端位移COD与施加荷载P的比值)后，即可根据此时设定的相对裂纹长度a/W总结出两者的数量关系，如图5所示。针对本发明列举的如图2所示尺寸的开口角隅试样2，两者的数量关系为a/W＝4.2875Ux 2-4.3826Ux+0.9929，可决系数R2＝1，拟合效果很好。这样在进行疲劳裂纹扩展试验时，只需用引伸计在制造出来的开口角隅试样2上测量在数值模拟时设定的两参考点之间的实际相对位移COD并在计算机中实时读取，即可由上述公式换算出此时的相对裂纹长度a/W，无需停止试验取下试样进行检测，实现了对裂纹扩展长度的动态测量。
为了进一步可以得到指定裂纹长度时裂纹尖端的应力强度因子K，还需要拟合数值计算结果中的无量纲应力强度因子f和相对裂纹长度a/W的数量关系。根据数值模拟就算结果绘出如图6所示的曲线图，根据其图像走势判断可以采用五次多项式来拟合上述数量关系，并设m＝a/W。根据最小二乘法拟合结果，得到f与a/W之间的显式关系式为：f＝8751.3m5-22720m4+23475m3-11944m2+2999m-291.76，可决系数R2＝0.9999，拟合效果很好，至此就可以在疲劳试验中得到任意裂纹长度a时对应的应力强度因子K。
在运用断裂力学进行疲劳研究时，通常采用Paris公式：
Figure BDA0002544490810000052
来表达裂纹扩展速率和应力强度因子之间的数量关系，式中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
Figure BDA0002544490810000053
Y是材料形状参数。在实际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)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
Figure BDA0002544490810000061
在对开口角隅试样2进行疲劳试验时，根据本发明提出的基于柔度法的裂纹扩展测量方法，利用上述拟合出的f—a/W之间的关系式和Paris公式，在具备测量裂纹扩展参数条件(具备引伸计、控制系统等)的疲劳试验机上开展试验，完成针对开口结构角隅区域的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。疲劳裂纹扩展试验可以作为对数值模拟计算结果的验证过程，增强最终结论的科学性和可靠性。
针对船舶舷侧开口和航空器舷窗等开口结构在运行过程中存在的疲劳裂纹扩展问题，在经过前期理论推导和数值模拟后，针对某种角隅形式缩比尺后设计为本开口角隅试样2，即可定性对比不同角隅形式对疲劳性能的影响，也可基于柔度法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。
本发明专利所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合和演绎所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种开口角隅疲劳裂纹扩展测量方法，所采用的开口角隅试样，包括基底平板，在基体平板的一个侧边开挖有根据开口结构原型的一个边角设计的开口角隅区域，在开口角隅区域的边角顶点处设置有预制缺陷尖端，沿预制缺陷尖端内延伸有预制疲劳裂纹，在开口角隅区域及预制疲劳裂纹的两侧各开挖一个销钉孔。测量方法包括如下的步骤：
(1)准备基体平板，根据开口结构原型，设计开口角隅试样形式，并加工开口角隅试样；
(2)建立开口角隅试样的有限元模型，分别沿开口角隅的边角顶点的中心线方向设置不等的裂纹长度，模拟当裂纹扩展到指定裂纹长度时裂纹尖端的应力场和应变场；从数值模拟结果中，提取指定裂纹长度a时对应的裂纹尖端的应力强度因子K；提取此时开口角隅试样位于开口角隅区域两侧的两个参考点在荷载作用下的裂纹张开位移Vx；
(3)开口角隅试样的柔度是指裂纹尖端位移Vx与此时施加荷载Px的比值，将数值计算结果中的柔度和应力强度因子K分别改用无量纲参数Ux和f表达，并以裂纹长度a与试样宽度W的比值a/W来表示相对裂纹长度：
Figure FDA0002544490800000011
式中，Ux—无量纲柔度；f—无量纲应力强度因子；B—试样厚度(mm)；E—弹性模量(Mpa)；Vx—裂纹尖端位移(mm)；Px—施加在耦合点的载荷(N)；
(4)在进行多组数值计算得到试样在不同裂纹长度a时相应的柔度Vx/Px后，并根据步骤(3)进行无量纲化处理，然后拟合出无量纲柔度Ux和设定的相对裂纹长度a/W的数量关系表达式；
(5)为了进一步得到指定裂纹长度a时裂纹尖端的应力强度因子K，拟合数值计算结果中的无量纲应力强度因子f和相对裂纹长度a/W的数量关系；
(6)在进行疲劳裂纹扩展试验时，在开口角隅试样上实时测量在数值模拟时设定的两参考点之间的实际相对位移Vx，根据无量纲换算后的Ux-a/W关系式，由所测得的裂纹尖端位移Vx计算得到裂纹长度a，用f-a/W之间的关系式计算得到此时裂纹尖端的应力强度因子K。
2.根据权利要求1所述的开口角隅疲劳裂纹扩展测量方法，其特征在于，所述的开口角隅区域设计成直角、圆角、椭圆或抛物线过渡形式。
3.根据权利要求1所述的开口角隅疲劳裂纹扩展测量方法，其特征在于，在进行疲劳裂纹扩展试验时，在开口角隅试样上利用引伸计实时测量在数值模拟时设定的两参考点之间的实际相对位移Vx。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112606943A (zh) * 2020-12-19 2021-04-06 武汉理工大学 江海直达船的舱口角隅结构
CN113008669A (zh) * 2021-01-22 2021-06-22 天津大学 一种动态监测裂纹尖端应力强度因子的方法
CN113109553A (zh) * 2021-04-13 2021-07-13 长安大学 沥青粘合剂抗疲劳性能评估方法及系统
CN116738780A (zh) * 2023-05-29 2023-09-12 天津大学 考虑裂纹偏折的紧凑拉伸试样疲劳裂纹扩展长度及速率计算方法

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