CN114218661A - 一种基于疲劳裂纹扩展的疲劳寿命预测方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了一种基于疲劳裂纹扩展的疲劳寿命预测方法，属于疲劳寿命预测的技术领域。该方法包括：前处理、迭代求解以及裂纹扩展，可分别借助SESAM，ABAQUS和FRANC 3D平台完成，具体步骤包括：S1模型建模、S2水动力分析、S3结构强度分析、S4三维裂纹扩展区建模、S5裂纹插入及网格更新、S6疲劳特性表征、S7增量计算判断S8终止条件校验、S9服役年限统计。本发明通过应力强度因子传递函数计算对结构的疲劳性能予以表征；首次引入了等效损伤累积率的概念，并将其成功应用于不规则波的简化；实现了从水动力到结构强度乃至裂纹扩展过程中结构内部受力状态的继承和传递；基于子模型和多尺度模型技术，成功开展了实尺度结构与裂纹扩展区的耦合分析。

Description

一种基于疲劳裂纹扩展的疲劳寿命预测方法
技术领域
本发明属于疲劳寿命预测的技术领域，具体涉及一种基于疲劳裂纹扩展的疲劳寿命预测方法。
背景技术
对于服役中的海洋结构物，持续不间断的波浪力作用将致使结构长期处于交变载荷作用下，不可避免的会导致疲劳的产生和恶化。随着海洋结构物的大型化和高强度钢在建造中的广泛使用，疲劳破坏日益突出，已逐渐被各国船级社的检验员公认为最重要的失效模式之一。疲劳裂纹的存在和扩展通常极具破坏性，可能导致疲劳强度和承载能力的下降，甚至对结构的完整性和稳定性构成很大的风险。虽然通过定期的检查和维护可以在一定程度上使结构的疲劳性能得以改善，但如果不能量化结构在即定裂纹缺陷的剩余寿命，也很难制定出合理可行的动态健康监控方案，特别是在诸如损伤容限设计等新的先进设计理念被广泛采用和各种抗疲劳设计被极近推行的今天。因此，基于断裂力学的方法对结构的疲劳性能予以合理的评估，通过裂纹扩展的方法对结构节点的疲劳剩余寿命予以准确的预测是很有必要的。
针对疲劳强度问题，S-N曲线法，由于应用方便、精度可接受，在工程疲劳评估中应用最为广泛。S-N曲线法的引入和发展对传统结构型式的改进、事故率的降低等方面都起到了相当积极的作用，但是其固有的理论缺陷极大地限制了其更进一步的应用潜力，比如：
（1）S-N曲线法不适用于已存在缺陷的老化结构的剩余寿命评估；
（2）由于没有统一的失效准则，预测结果离散性较大；
（3）不可计及加载次序和材料特性等影响；
（4）无法基于裂纹扩展路径和裂纹形貌予以准确预测。
也正是由于S-N曲线法之诸多局限性，致使断裂力学在工程疲劳评估中的应用也越来越迫切，目前限制断裂力学在船舶与海洋工程结构物疲劳问题应用的因素主要有以下几个方面：
（1）船舶与海洋结构物结构复杂，对结构在不同位置的疲劳性能进行表征目前尚有难度；服役中所遭遇实际海况极不规则，如何对真实海况进行简化并与断裂力学相结合依旧存在很大问题；
（2）基于断裂力学开展疲劳寿命预测，将疲劳问题视为一个裂纹扩展问题。在设计寿命中长达108量级的循环加载过程中，基于直接计算法的断裂力学求解需要裂纹前缘的反复插入和有限元模型的持续更新和迭代计算，工作量巨大、计算成本较高。不利于断裂力学在实际工程结构疲劳性能评估中的应用；
（3）实际的海洋结构通常为百米级的大型结构物，而裂纹尺寸则多为毫米级。不同量级模型间的耦合分析对于断裂力学的应用也是一个巨大的挑战。
发明内容
为解决断裂力学在船舶与海洋工程结构物中的成功应用，本发明提出了一种基于疲劳裂纹扩展的疲劳寿命预测方法。本发明首次引入等效损伤累积率的概念，并将其成功应用于不规则波的简化，实现了从水动力到结构强度乃至裂纹扩展过程中结构内部受力状态的继承和传递；成功开展了实尺度结构与裂纹扩展区的耦合分析。
本发明目的是由以下计算方案实现的：
一种基于疲劳裂纹扩展的疲劳寿命预测方法，该方法包括：前处理、迭代求解以及裂纹扩展，可分别借助SESAM，ABAQUS和FRANC 3D平台完成，其中，SESAM平台作为前处理器，其工况包括：S1模型建模、S2水动力分析、S3结构强度分析；ABAQUS负责三维裂纹扩展区的定义，整个过程包括S4三维裂纹扩展区建模，具体包括以下几个步骤：S41实体模型的建模、S42裂纹扩展区的定义、S43子模型重组、S44边界载荷映射、S45有限元分析；FRANC 3D负责S5裂纹插入及网格更新，整个过程包括初始裂纹的插入和裂纹自动扩展，其中，裂纹自动扩展的实现包括以下技术环节：S6疲劳特性表征、S7增量计算判断S8终止条件校验、S9服役年限统计。
进一步的，所述模型包括S11几何模型、S12水动力模型以及S13结构模型，其中，S11几何模型包含结构物尺寸及结构信息，根据结构特点，选择不同建模方式；S12水动力模型是通过对几何模型的水动力性质的定义和赋值来实现，是赋予几何模型水动力属性后完成，包含湿表面的定义以及压载舱水动力属性的定义；S13结构模型用于结构强度分析，包括结构的网格划分以及边界的施加，除应包含几何模型信息之外，还应对模型内部所带设备和质量点等予以合理布置，以尽量保证结构的质量分布与实际结构吻合，此外，结构模型应完成结构的离散和边界条件的施加；
所述S2水动力分析为求解结构自身运动特性和波浪载荷，其工作的开展是基于势流理论完成，内容包括：S21波浪环境、S22水动力属性赋予以及S23浮态调整步骤；其中，S21波浪环境是指定义势流理论分析用一系列规则波，包括浪向、波频以及工作水深等信息定义；S22水动力属性赋予是指莫里森结构阻尼系数等水动力相关参数的定义；S23浮态调整则是针对重浮力不相等或首尾吃水与实际存在差异的情况进行的模型姿态调整，通过压载水的方式进行处理；
所述S3结构强度分析细化为S31整体模型强度分析和S32局部强度分析，其中，S31整体模型强度分析以结构模型为载体，以水动力分析波浪载荷为输入，通过其分析结果确定结构应力集中区，确定子模型位置；S32局部强度分析分为子模型定义与结构强度计算分析，其中，子模型定义又可细化为：S321敏感区域定位、S322结构模型细化和S323边界提取应用；
所述S41实体模型的建模：建模工作以SESAM中模型为参考，借助其参数化建模功能完成；
所述S42裂纹扩展区的定义：根据疲劳热点所在位置以及实体模型结构之特点，对实体模型进行分割后，进行模型网格划分，为提高仿真精度和计算效率，需要在裂纹扩展区划分较精细的网格，而剩余区域则保持相对较大的网格尺寸以确保仿真效率；
所述S43子模型重组：采用“Shell to Solid”约束完成实体模型与SESAM导出的FEM文件进行拼接重组，形成新的组合模型；
所述S44边界载荷映射：是指重组模型的边界施加，该过程通过SESAM中子模型与ABAQUS中重组之子模型的单元节点对应和位移映射完成；
所述S45 有限元分析：ABAQUS中运行重组后的子模型，确定裂纹扩展区中Mises应力集中点；
所述S5裂纹插入及网格更新：根据S45中锁定的米塞斯（Mises）应力集中点位置，根据设计工况确定的初始裂纹大小，在FRANC 3D中完成初始裂纹的插入；
所述S6疲劳特性表征：通过应力强度因子传递函数对当前裂纹尺寸和工况下的疲劳性能进行表征，遍历S2中所定义之规则波波浪环境，计算模型在初始裂纹缺陷和更新后裂纹前缘的应力强度因子值以确定当前裂纹尺寸及工况下应力强度因子传递函数；
所述S7增量计算判断，是指对当前海况下的裂纹扩展增量进行判断，以确定其值是否需要记入裂纹累积扩展量；
所述S8终止条件校验，是指对程序的终止条件进行判断；
所述S9服役年限统计根据波浪散布图之遍历次数确定，散布图遍历一遍则计数一年，总共服役年限视为裂纹尺寸扩展至临界值时散布图遍历次数。
进一步的，该方法还包括自适应裂纹增量优化控制，疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘应力强度因子的计算需要多次插入裂纹并更新有限元模型，因此扩展增量阈值采用自适应步长设置，仿真过程中，将其视为一个与裂纹大小相关的参数，只有当裂纹扩展增量超过阈值时，裂纹的插入和有限元模型的更新才会被执行。如果对每一个海况作用下的裂纹尺寸都予以更新无疑可以有效的提高仿真精度，但频繁的裂纹插入和模型更新势必会导致SIF传递函数的多次求解和有限元模型的反复计算，这无疑会大大降低断裂力学方法在实际工程结构疲劳寿命预测中的可行性，因此需要对裂纹扩展增量的阈值予以合理控制。考虑到疲劳裂纹扩展是一个逐渐加速扩展的过程，固定的阈值通常不能适用于整个裂纹扩展的过程。在裂纹萌生阶段阈值可能过大，导致预测精度降低，而在裂纹快速扩展阶段固定阈值又可能过小，不利于计算效率的提高。
进一步的，所述S32局部强度分析包括如下步骤：
S321敏感区域定位：根据整体结构强度分析结果，选取结构Mises应力集中较为明显的位置A作为敏感区域做进一步分析区域；
S322结构模型细化：分为模型重构和网格细化，模型重构是指对全局模型分析中没有加以考虑的结构细节进行重构和补充，而网格细化是指采用更为精细的网格对结构进行离散，以提高仿真精度；
S323边界提取应用：指全局模型的边界继承和子模型的位移加载；
S324 调用结构强度求解器开展计算分析。
进一步的，所述S6疲劳特性表征包括如下步骤：
S61、确定初始裂纹尺寸a=a0，c=c0，初始循环计数归零，
S62、应力强度因子有效成分确定：提取水动力分析所对应波浪环境下子模型的边界信息，包括实部和虚部；
S63、随机浪向，依次将当前浪向
Figure 953193DEST_PATH_IMAGE001
所对应各频率的子模型边界结果映射与重组后的子模型结构，计算在当前裂纹尺寸下的结构在各海况下的响应及应力强度因子传递函数；
S64、视实际海况为一系列短期海况的叠加，并用波浪谱加以描述，根据线性系统假设，计算短期海况下应力强度因子的响应谱；
S65、根据应力强度因子响应谱，确定每个短期海况下应力强度因子及应力强度因子范围之分布。
进一步的，所述S63包括如下步骤：
S631、应力强度因子有效成分确定：提取水动力分析所对应波浪环境下子模型的边界信息，包括实部和虚部；考虑到压缩应力不会导致新的裂纹扩展，因此需要对实部和虚部波浪载荷所致的应力强度因子应予以判断和调整，当应力强度因子值等于或小于零时，将被设置为零；
Figure 903831DEST_PATH_IMAGE003
S632应力强度因子幅值确定：应力强度因子幅值可以表示为实部和虚部平方和的平方根，
Figure 989599DEST_PATH_IMAGE005
式中KI，KII和KIII分别代表三种典型的裂纹模式，即张开型（Mode I）、滑开型（ModeII）和撕开型（Mode III）。Kk-real和Kk-imag对应SIF的实部和虚部；
S633等效应力强度因子：为表征在随机波作用下混合裂纹模式的耦合驱动，引入等效应力强度因子参数，其表达式为，
Figure 342083DEST_PATH_IMAGE007
其中V是材料的泊松比；
所述S64包括如下步骤：
S641将实际波浪环境划分为一系列短期海况，并将其用典型的波浪能谱（P-M谱）
Figure 815789DEST_PATH_IMAGE008
来描述；根据线性谱分析方法，求得结构在一定裂纹尺寸，任意海况下的SIF响应谱
Figure 253724DEST_PATH_IMAGE010
S642应力强度因子能量谱矩确定
Figure 67484DEST_PATH_IMAGE012
所述S65包括如下步骤：
S651应力强度因子短期分布
视波浪为零均值窄带随机高斯过程，线性系统下，由波浪引起的波动应力和应力强度因子均服从零均值窄带随机高斯过程。根据随机过程理论，波浪诱导应力强度因子幅值K服从瑞利分布，其概率密度函数
Figure 540053DEST_PATH_IMAGE013
可以表示为：
Figure 856765DEST_PATH_IMAGE015
S652应力强度因子范围短期分布
由于压应力对于疲劳裂纹扩展并不产生贡献，为适应裂纹扩展速率模型，引入参数名义应力强度因子范围
Figure 781996DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 6304DEST_PATH_IMAGE017
的幅值为两倍的应力强度因子幅值，其概率密度函数
Figure 598959DEST_PATH_IMAGE018
可表示为：
Figure 883310DEST_PATH_IMAGE020
式中，
Figure 686050DEST_PATH_IMAGE021
为瑞利分布参数，其值为对应海况下SIF响应谱的零阶矩
Figure 714049DEST_PATH_IMAGE022
。
进一步的，所述S7增量计算判断包括如下步骤：
S71、根据等效累积损伤率计算当前海况下扩展增量
Figure 895631DEST_PATH_IMAGE023
；
S72、对比当前裂纹扩展量与预设阈值
Figure 616463DEST_PATH_IMAGE024
，如果扩展增量小于阈值，则循环将自动进入下一个海况的计算，如果裂纹扩展增量大于预设阈值，则当前扩展增量将累积至上一个循环结果，并更新裂纹尺寸和对应的有限元模型。
进一步的，所述S71包括：
将疲劳裂纹视为一种损伤缺陷，将结构性能的退化甚至是最终的破坏归咎于裂纹损伤的存在和发展，为对裂纹损伤加以表征，引入等效累积损伤率概念，表达如下：
Figure 516285DEST_PATH_IMAGE026
式中
Figure 82396DEST_PATH_IMAGE027
为第i个海况的等效累积损伤率；
Figure 587327DEST_PATH_IMAGE028
为应力强度因子范围阈值；R为应力比；
所述S72包括：
循环次数根据各短期海况之循环次数的累积而成，每个短期海况下的循环次数
Figure 947901DEST_PATH_IMAGE029
由其时间跨度与跨零周期确定，可将一定短期海况下的裂纹扩展量表示为：
Figure 990812DEST_PATH_IMAGE031
式中
Figure 360614DEST_PATH_IMAGE032
对应为第i个短期海况下的裂纹扩展增量及循环次数统计，
Figure 516788DEST_PATH_IMAGE033
为第i个短期海况下的零阶矩和二阶矩。
进一步的，所述S8终止条件校验，包括如下步骤：
S81、如果更新后的裂纹尺寸达到临界值，终止计算并跳出循环；
S82、如果当前裂纹尺寸尚未触及临界条件，则循环继续，并进入下一个海况的循环。
有益效果
（1）利用谱分析和断裂力学相结合的方法，可有效表征真实海况下船舶与海洋结构物的疲劳性能，对结构之剩余寿命予以准确研判。
（2）等效损伤累积率概念的提出，可成功将不规则波浪环境简化为具有一定裂纹扩展速率的规则短期海况，将裂纹总扩展量由单次加载扩展量累积转化为每个短期海况扩展量的累积，这极大的提高了计算效率，降低了计算成本，简化了分析流程。
（3）通过二次开发所建立的疲劳寿命评估平台，实现了学科间协同作业以及数据共享和信息传递以及任意位置处实尺度结构与裂纹扩展区的耦合分析，推进了断裂力学在大型结构物疲劳性能预测过程中的应用。
本发明为解决断裂力学在船舶与海洋工程结构物中的成功应用，提出了一种基于谱分析与断裂力学相结合的直接计算评估方法，通过应力强度因子传递函数计算对结构的疲劳性能予以表征；首次引入了等效损伤累积率的概念，并将其成功应用于不规则波的简化，成功将裂纹总扩展量由单次加载扩展量累积转化为每个短期海况扩展量的累积；通过对现有商业软件的二次开发，建立跨学科耦合分析平台，实现了从水动力到结构强度乃至裂纹扩展过程中结构内部受力状态的继承和传递；基于子模型和多尺度模型技术，成功开展了实尺度结构与裂纹扩展区的耦合分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的疲劳裂纹扩展寿命评估流程图；
图2为疲劳裂纹自动扩展实现方法；
图3为验证模型示意图，其中，A为参考结构，B为验证模型；
图4为边界条件示意图；
图5为参考定义系统，其中，A为参考定义侧视图，B为参考定义俯视图，C1至C8为外围立柱，C9为中间立柱；
图6为舱室分布和填充率示意图，其中，A为侧视图，B为Z=0m的剖面图，C为Z=2m的剖面图，D为Z=9.75m的的剖面图；
图7为子模型在SESAM中的定义，其中，A为位置定位，B为子模型细化，C为边界继承；
图8为子模型在ABAQUS中的定义；
图9为裂纹插入及网格划分，其中，A为热点位置选取，B为初始裂纹插入，C为网格重新划分，D为裂纹尺寸定义图，E为裂纹前缘放大图，F为裂纹前缘模板示意图；
图10为全局模型分析结果，其中，A为支反力，B为静水压力作用结果，C为波浪载荷作用结果（单位波幅），D为耦合工况作用结果（静水压力+波浪载荷（3m））；
图11为热点位置锁定，其中，A位移云图（全局模型），B为应力分布（全局模型），C为位移云图（子模型），D为应力分布（子模型）；
图12为应力强度因子传递函数，其中，A为应力强度因子传递函数随服役年限变化图，B为不同浪向下应力强度因子幅值随服役年限变化对比图；
图13为疲劳裂纹扩展，其中，A为全局模型和子模型的耦合分析，B为裂纹扩展形貌图，C为裂纹生长过程；
图14为典型节点疲劳寿命示意图，其中，A为位置分布示意图，B为位置A几何模型，C为位置B几何模型，D为位置C几何模型，E为位置D几何模型，F为位置E几何模型，G为位置A节点B疲劳寿命曲线，H为位置B节点B疲劳寿命曲线，I为位置C节点B疲劳寿命曲线，J为位置D节点A疲劳寿命曲线， K为位置D节点B疲劳寿命曲线，L为位置E节点A疲劳寿命曲线；
图中标号：1为上层建筑，2为中间立柱，3为渔网，4为撑杆，5为浮箱，6为外围立柱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
为验证本发明所提出的一种基于疲劳裂纹扩展的疲劳寿命预测方法，本发明以一全潜式渔业养殖平台的疲劳寿命预测为例做进一步阐述。
如图1~14所示，本实施例具体包括如下步骤：
S1：全局模型建模
本实施例模型包括S11几何模型、S12水动力模型以及S13结构模型，其中，
S11：几何模型的创建应包含结构物尺寸及结构信息，根据结构特点，选择不同建模方式；本实施例较大尺寸的中间立柱2、撑杆4、外围立柱6和浮箱5采用板/面建模，而渔网3由于较大的长细比则采用梁建模，上层建筑1则被直接简化为位于中间立柱2顶部的一个设备；全局模型可如图3所示。
S12：水动力模型是通过对几何模型的水动力性质的定义和赋值来实现，是赋予几何模型水动力属性后完成，包含湿表面的定义以及压载舱水动力属性的定义，其结构可只包含湿表面区域，而忽略其内部结构细节，但应包含舱室信息，以保证外海压力和舱室内部压力均可得以施加。
S13：结构模型主要用于结构强度分析，主要包括结构的网格划分以及边界的施加；除应包含几何模型信息之外，还应对模型内部所带设备和质量点等予以合理布置，以尽量保证结构的质量分布与实际结构吻合，为后续分析提供准确的质量模型，此外，结构模型应完成结构的离散和边界条件的施加；本实施例网格的划分对于整体模型采用0.4m的单元大小，而边界的施加通过约束同一水平面上的3个点作为约束点，以避免刚体位移，保证结构的自由旋转。边界条件施加信息如图4所示。
S2：水动力分析
水动力分析为求解结构自身运动特性和波浪载荷，其工作的开展是基于势流理论完成，内容包括：S21波浪环境定义、S22水动力属性赋予以及S23浮态调整步骤；水动力分析参考坐标系定义如图5所示。浮态调整用压载水分布如图6所示。
S21：波浪环境是指定义势流理论分析用一系列规则波，包括浪向、波频以及工作水深等信息定义；本实施例所涉及之波浪环境频率范围为0.1-1.8 rad/s，步长0.1 rad/s，共计18个；向范围为0°-180°，步长22.5°，共计9个，水深300m；
S22：水动力属性赋予是指类似莫里森结构阻尼系数等水动力相关参数的定义；本实施例水动力分析计算主要基于三维势流理论完成；
S23：浮态调整则是针对重浮力不相等或首尾吃水与实际存在差异的情况进行的模型姿态调整，多通过压载水的方式进行处理；
S31：整体模型强度分析
整体强度分析以结构模型为载体，主要用于研究结构之受力分布及变形规律，以水动力分析波浪载荷为输入，通过其分析结果确定结构应力集中区，确定子模型位置；整体模型结构分析其主要基于S1所建立之结构模型、S2之水动力分析结果来完成；结果如图10所示。
S32：局部强度分析
局部强度分析可分为子模型定义与结构强度计算分析，其中，子模型定义又可细化为：S321敏感区域定位、322结构模型细化和S323边界提取应用；流程可如图7所示。
S321敏感区域定位：根据整体结构强度分析结果，选取结构Mises应力集中较为明显的位置A作为敏感区域做进一步分析区域；
S322结构模型细化（图为网格细化）：分为模型重构和网格细化，模型重构是指对全局模型分析中没有加以考虑的结构细节进行重构和补充，而网格细化是指采用更为精细的网格对结构进行离散，以提高仿真精度，本实施例模型细化过程主要增加整体结构中未创建的横撑防倾肘板结构，以及将原来部分加强筋的梁单元用面单元替换，而网格的细化则采用更为精细的网格对子模型进行重新划分，本实施例设定为0.1m；
S323边界提取应用：指全局模型的边界继承和子模型的位移加载，本实施例针对所有子模型与整体模型的交界面处的所有节点在S2中水动力分析所涉及之浪向和频率下的边界进行提取，共计静水压工况1个加波浪载荷工况162个，共计163个。
S324 调用结构强度求解器开展计算分析，结果如图11所示。
S4三维裂纹扩展区建模
三维裂纹扩展区的定义是在ABAQUS中完成的，整个过程可以分为以下几个步骤：S41实体模型的创建、S42裂纹扩展区的定义、S43子模型重组、S44载荷映射、S45 有限元分析。流程可如图8所示。
S41实体模型的建模：本实施例以SESAM中导出的几何模型为参考（.sat格式文件），删除非裂纹扩展区域部分，借助其参数化建模功能完成实体模型与原面模型的替代。
S42裂纹扩展区的定义：根据疲劳热点所在位置以及实体模型结构之特点对实体模型进行适当分割后，进行模型网格划分，为提高仿真精度和计算效率，需要在裂纹扩展区划分较精细的网格，而剩余区域则保持相对较大的网格尺寸以确保仿真效率；本实施例在裂纹扩展区划分较为精细的网格（1mm），而剩余区域则保持相对较大（6mm）的网格尺寸。
S43子模型重组：采用“Shell to Solid”约束完成实体模型与SESAM导出的FEM文件进行拼接重组，形成新的组合模型。
S44边界载荷映射：是指重组模型的边界施加，该过程通过SESAM中子模型与ABAQUS中重组之子模型的单元节点对应和位移映射完成；本实施例借助脚本文件，通过节点对应，完成SESAM中所提取的163个工况边界向组合模型的边界映射，并创建每个工况对应的分析作业文件。
S45 有限元分析（试算）：ABAQUS中运行重组后的子模型，确定裂纹扩展区中Mises应力集中点。
S5裂纹插入及网格更新
裂纹插入及网格更新流程可如图9所示。
根据S45中锁定的Mises应力集中点，根据设计工况确定的初始裂纹大小，在FRANC3D中完成初始裂纹的插入，本实施例为探究初始缺陷对疲劳裂纹扩展寿命的影响，选取不同大小和不同长宽比工况，共计5组，分别为：
a0=0.25mm，c0=0.15mm；a0=0.50mm，c0=0.30mm；
a0=1.00mm，c0=0.60mm；a0=0.30mm，c0=0.30mm；a0=0.7mm，c0=0.3mm；
根据插入的裂纹（包括初始裂纹和裂纹扩展过程中插入的裂纹）重新划分S44中所定义之裂纹扩展区的网格。
裂纹自动扩展方法如图2所示，具体包括步骤S6、S7、S8；详述如下：
S6：疲劳特性表征
通过应力强度因子传递函数对当前裂纹尺寸和工况下的疲劳性能进行表征。遍历S2中所定义之规则波波浪环境，计算模型在初始裂纹缺陷和更新后裂纹前缘的应力强度因子值（本实施例采用等效应力强度因子值）以确定当前裂纹尺寸及工况下应力强度因子传递函数，为综合评估疲劳裂纹扩展性能，本实施例包含裂纹前缘表面点和最深点。
S61、确定初始裂纹尺寸a=a0，c=c0，初始循环计数归零；
S62、应力强度因子有效成分确定：提取水动力分析所对应波浪环境下子模型的边界信息，包括实部和虚部；
S63、随机浪向，依次将当前浪向
Figure 313843DEST_PATH_IMAGE034
所对应各频率的子模型边界结果映射于重组后的子模型结构，计算在当前裂纹尺寸下的结构在各海况下的响应及应力强度因子传递函数；
S631、应力强度因子有效成分确定：提取水动力分析所对应波浪环境下子模型的边界信息，包括实部和虚部；本实施例考虑到压缩应力不会导致新的裂纹扩展，因此需要对实部和虚部波浪载荷所致的应力强度因子应予以判断和调整，本实施例中当应力强度因子值等于或小于零时，将被设置为零。
Figure 922679DEST_PATH_IMAGE035
S632应力强度因子幅值确定：应力强度因子幅值可以表示为实部和虚部平方和的平方根，
Figure 299434DEST_PATH_IMAGE036
式中KI，KII和KIII分别代表三种典型的裂纹模式，即张开型（Mode I）、滑开型（ModeII）和撕开型（Mode III）。Kk-real和Kk-imag对应SIF的实部和虚部。
S633等效应力强度因子：为表征在随机波作用下混合裂纹模式的耦合驱动，引入等效应力强度因子参数，其表达式为，
Figure 310115DEST_PATH_IMAGE037
其中V是材料的泊松比；
S64、视实际海况为一系列短期海况的叠加，并用波浪谱加以描述，根据线性系统假设，计算短期海况下应力强度因子的响应谱；
S641将实际波浪环境划分为一系列短期海况，并将其用典型的波浪能谱（P-M谱）
Figure 933863DEST_PATH_IMAGE038
来描述，根据线性谱分析方法，求得结构在一定裂纹尺寸，任意海况下的SIF响应谱；
Figure 29995DEST_PATH_IMAGE039
S642应力强度因子能量谱矩确定
Figure 741599DEST_PATH_IMAGE040
S65、根据应力强度因子响应谱，确定每个短期海况下应力强度因子及应力强度因子范围之分布；
S651应力强度因子短期分布
视波浪为零均值窄带随机高斯过程，线性系统下，由波浪引起的波动应力和应力强度因子均服从零均值窄带随机高斯过程。根据随机过程理论，波浪诱导应力强度因子幅值K服从瑞利分布，其概率密度函数
Figure 872366DEST_PATH_IMAGE041
可以表示为:
Figure 11224DEST_PATH_IMAGE042
S652应力强度因子范围短期分布
由于压应力对于疲劳裂纹扩展并不产生贡献，为适应裂纹扩展速率模型，引入参数名义应力强度因子范围
Figure 1176DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 250892DEST_PATH_IMAGE017
的幅值为两倍的应力强度因子幅值，其概率密度函数
Figure 685766DEST_PATH_IMAGE043
可表示为：
Figure 995525DEST_PATH_IMAGE044
式中，
Figure 66249DEST_PATH_IMAGE045
为瑞利分布参数，其值为对应海况下SIF响应谱的零阶矩
Figure 650814DEST_PATH_IMAGE046
。
S7疲劳裂纹寿命预测
疲劳寿命在本实施例中由裂纹尺寸和循环次数或服役年限两种计量方式进行统计。
S71、根据等效累积损伤率计算当前海况下扩展增量
Figure 490594DEST_PATH_IMAGE047
；
将疲劳裂纹视为一种损伤缺陷，将结构性能的退化甚至是最终的破坏归咎于裂纹损伤的存在和发展。为对裂纹损伤加以表征，引入等效累积损伤率概念，表达如下：
Figure 112199DEST_PATH_IMAGE048
式中
Figure 404640DEST_PATH_IMAGE049
为第i个海况的等效累积损伤率；
Figure 261738DEST_PATH_IMAGE050
为应力强度因子范围阈值；R为应力比。
S72、循环加载之始，所有计数归零，对比当前裂纹扩展量与预设阈值
Figure 487183DEST_PATH_IMAGE051
，如果扩展增量小于阈值，则循环将自动进入下一个海况的计算，如果裂纹扩展增量大于预设阈值，则当前扩展增量将累积至上一个循环结果，并更新裂纹尺寸和对应的有限元模型；
循环次数根据各短期海况之循环次数的累积而成，每个短期海况下的循环次数
Figure DEST_PATH_IMAGE052
由其时间跨度与跨零周期确定，可将一定短期海况下的裂纹扩展量表示为：
Figure 591274DEST_PATH_IMAGE053
式中
Figure 636590DEST_PATH_IMAGE054
对应为第i个短期海况下的裂纹扩展增量及循环次数统计，
Figure 31800DEST_PATH_IMAGE055
为第i个短期海况下的零阶矩和二阶矩，典型裂纹扩展生长形貌和寿命预测如图13和图14所示。
S8终止条件校验，包括如下步骤：
S81、如果更新后的裂纹尺寸达到临界值，终止计算并跳出循环；
S82、如果当前裂纹尺寸尚未触及临界条件，则循环继续，并进入下一个海况的循环。
S9服役年限统计根据波浪散布图之遍历次数确定，散布图遍历一遍则计数一年，总共服役年限视为裂纹尺寸扩展至临界值时散布图遍历次数，散布图如下表1所示。
表1（Tz为周期，Hs为波高）
Figure 721538DEST_PATH_IMAGE056
实施例2
优选的，本实施例包括自适应裂纹增量优化控制，疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘应力强度因子的计算需要多次插入裂纹并更新有限元模型，因此扩展增量阈值采用自适应步长设置，仿真过程中，将其视为一个与裂纹大小相关的参数，只有当裂纹扩展增量超过阈值时，裂纹的插入和有限元模型的更新才会被执行。如果对每一个海况作用下的裂纹尺寸都予以更新无疑可以有效的提高仿真精度，但频繁的裂纹插入和模型更新势必会导致SIF传递函数的多次求解和有限元模型的反复计算，这无疑会大大降低断裂力学方法在实际工程结构疲劳寿命预测中的可行性，因此需要对裂纹扩展增量的阈值予以合理控制。考虑到疲劳裂纹扩展是一个逐渐加速扩展的过程，固定的阈值通常不能适用于整个裂纹扩展的过程。在裂纹萌生阶段阈值可能过大，导致预测精度降低，而在裂纹快速扩展阶段固定阈值又可能过小，不利于计算效率的提高。因此，本实施例将步骤S72循环加载之始，所有计数归零，对比当前裂纹扩展量与预设阈值
Figure 809580DEST_PATH_IMAGE057
，随裂纹扩展而予以动态更新，其他同实施例1。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种基于疲劳裂纹扩展的疲劳寿命预测方法，其特征在于，该方法包括：前处理、迭代求解以及裂纹扩展，可分别借助SESAM，ABAQUS和FRANC 3D平台完成，其中，SESAM平台作为前处理器，其工况包括：S1模型建模、S2水动力分析、S3结构强度分析；ABAQUS负责三维裂纹扩展区的定义，整个过程包括S4三维裂纹扩展区建模，具体包括以下几个步骤：S41实体模型的建模、S42裂纹扩展区的定义、S43子模型重组、S44边界载荷映射、S45有限元分析；FRANC 3D负责S5裂纹插入及网格更新，整个过程包括初始裂纹的插入和裂纹自动扩展，其中，裂纹自动扩展的实现包括以下技术环节：S6疲劳特性表征、S7增量计算判断S8终止条件校验、S9服役年限统计。
2.根据权利要求1所述的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述模型包括S11几何模型、S12水动力模型以及S13结构模型，其中，S11几何模型包含结构物尺寸及结构信息，根据结构特点，选择不同建模方式；S12水动力模型是通过对几何模型的水动力性质的定义和赋值来实现，是赋予几何模型水动力属性后完成，包含湿表面的定义以及压载舱水动力属性的定义；S13结构模型用于结构强度分析，包括结构的网格划分以及边界的施加，除应包含几何模型信息之外，还应对模型内部所带设备和质量点等予以合理布置，以尽量保证结构的质量分布与实际结构吻合，此外，结构模型应完成结构的离散和边界条件的施加；
所述S2水动力分析为求解结构自身运动特性和波浪载荷，其工作的开展是基于势流理论完成，内容包括：S21波浪环境、S22水动力属性赋予以及S23浮态调整步骤；其中，S21波浪环境是指定义势流理论分析用一系列规则波，包括浪向、波频以及工作水深等信息定义；S22水动力属性赋予是指莫里森结构阻尼系数等水动力相关参数的定义；S23浮态调整则是针对重浮力不相等或首尾吃水与实际存在差异的情况进行的模型姿态调整，通过压载水的方式进行处理；
所述S3结构强度分析细化为S31整体模型强度分析和S32局部强度分析，其中，S31整体模型强度分析以结构模型为载体，以水动力分析波浪载荷为输入，通过其分析结果确定结构应力集中区，确定子模型位置；S32局部强度分析分为子模型定义与结构强度计算分析，其中，子模型定义又可细化为：S321敏感区域定位、S322结构模型细化和S323边界提取应用；
所述S41实体模型的建模：建模工作以SESAM中模型为参考，借助其参数化建模功能完成；
所述S42裂纹扩展区的定义：根据疲劳热点所在位置以及实体模型结构之特点，对实体模型进行分割后，进行模型网格划分，为提高仿真精度和计算效率，需要在裂纹扩展区划分较精细的网格，而剩余区域则保持相对较大的网格尺寸以确保仿真效率；
所述S43子模型重组：采用“Shell to Solid”约束完成实体模型与SESAM导出的FEM文件进行拼接重组，形成新的组合模型；
所述S44边界载荷映射：是指重组模型的边界施加，该过程通过SESAM中子模型与ABAQUS中重组之子模型的单元节点对应和位移映射完成；
所述S45 有限元分析：ABAQUS中运行重组后的子模型，确定裂纹扩展区中Mises应力集中点；
所述S5裂纹插入及网格更新：根据S45中锁定的Mises应力集中点位置，根据设计工况确定的初始裂纹大小，在FRANC 3D中完成初始裂纹的插入；
所述S6疲劳特性表征：通过应力强度因子传递函数对当前裂纹尺寸和工况下的疲劳性能进行表征，遍历S2中所定义之规则波波浪环境，计算模型在初始裂纹缺陷和更新后裂纹前缘的应力强度因子值以确定当前裂纹尺寸及工况下应力强度因子传递函数；
所述S7增量计算判断，是指对当前海况下的裂纹扩展增量进行判断，以确定其值是否需要记入裂纹累积扩展量；
所述S8终止条件校验，是指对程序的终止条件进行判断；
所述S9服役年限统计根据波浪散布图之遍历次数确定，散布图遍历一遍则计数一年，总共服役年限视为裂纹尺寸扩展至临界值时散布图遍历次数。
3.根据权利要求2所述的疲劳寿命预测方法，其特征在于，该方法还包括自适应裂纹增量优化控制，疲劳裂纹扩展过程中裂纹前缘应力强度因子的计算需要多次插入裂纹并更新有限元模型，因此扩展增量阈值采用自适应步长设置，仿真过程中，将其视为一个与裂纹大小相关的参数，只有当裂纹扩展增量超过阈值时，裂纹的插入和有限元模型的更新才会被执行。
4.根据权利要求2所述的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S32局部强度分析包括如下步骤：
S321敏感区域定位：根据整体结构强度分析结果，选取结构Mises应力集中较为明显的位置A作为敏感区域做进一步分析区域；
S322结构模型细化：分为模型重构和网格细化，模型重构是指对全局模型分析中没有加以考虑的结构细节进行重构和补充，而网格细化是指采用更为精细的网格对结构进行离散，以提高仿真精度；
S323边界提取应用：指全局模型的边界继承和子模型的位移加载；
S324 调用结构强度求解器开展计算分析。
5.根据权利要求2所述的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S6疲劳特性表征包括如下步骤：
S61、确定初始裂纹尺寸a=a0，c=c0，初始循环计数归零；
S62、应力强度因子有效成分确定：提取水动力分析所对应波浪环境下子模型的边界信息，包括实部和虚部；
S63、随机浪向，依次将当前浪向
Figure 134335DEST_PATH_IMAGE001
所对应各频率的子模型边界结果映射与重组后的子模型结构，计算在当前裂纹尺寸下的结构在各海况下的响应及应力强度因子传递函数；
S64、视实际海况为一系列短期海况的叠加，并用波浪谱加以描述，根据线性系统假设，计算短期海况下应力强度因子的响应谱；
S65、根据应力强度因子响应谱，确定每个短期海况下应力强度因子及应力强度因子范围之分布。
6.根据权利要求5所述的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S63包括如下步骤：
S631、应力强度因子有效成分确定：提取水动力分析所对应波浪环境下子模型的边界信息，包括实部和虚部；考虑到压缩应力不会导致新的裂纹扩展，因此需要对实部和虚部波浪载荷所致的应力强度因子应予以判断和调整，当应力强度因子值等于或小于零时，将被设置为零；
Figure 317054DEST_PATH_IMAGE002
S632应力强度因子幅值确定：应力强度因子幅值可以表示为实部和虚部平方和的平方根，
Figure 362371DEST_PATH_IMAGE003
式中KI，KII和KIII分别代表三种典型的裂纹模式，即张开型、滑开型和撕开型，Kk-real和Kk-imag对应SIF的实部和虚部；
S633等效应力强度因子：为表征在随机波作用下混合裂纹模式的耦合驱动，引入等效应力强度因子参数，其表达式为，
Figure 147793DEST_PATH_IMAGE005
其中V是材料的泊松比；
所述S64包括如下步骤：
S641将实际波浪环境划分为一系列短期海况，并将其用典型的波浪能谱
Figure 227745DEST_PATH_IMAGE006
来描述；根据线性谱分析方法，求得结构在一定裂纹尺寸、任意海况下的SIF响应谱；
Figure 315786DEST_PATH_IMAGE008
S642应力强度因子能量谱矩确定
Figure 848399DEST_PATH_IMAGE010
所述S65包括如下步骤：
S651应力强度因子短期分布
视波浪为零均值窄带随机高斯过程，线性系统下，由波浪引起的波动应力和应力强度因子均服从零均值窄带随机高斯过程，根据随机过程理论，波浪诱导应力强度因子幅值K服从瑞利分布，其概率密度函数
Figure 188244DEST_PATH_IMAGE011
可以表示为：
Figure 122702DEST_PATH_IMAGE013
S652应力强度因子范围短期分布
由于压应力对于疲劳裂纹扩展并不产生贡献，为适应裂纹扩展速率模型，引入参数名义应力强度因子范围
Figure 381645DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 401554DEST_PATH_IMAGE015
的幅值为两倍的应力强度因子幅值，其概率密度函数
Figure 528779DEST_PATH_IMAGE016
可表示为：
Figure 317743DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 13167DEST_PATH_IMAGE019
为瑞利分布参数，其值为对应海况下SIF响应谱的零阶矩
Figure 520371DEST_PATH_IMAGE020
。
7.根据权利要求2所述的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S7增量计算判断包括如下步骤：
S71、根据等效累积损伤率计算当前海况下扩展增量
Figure 936440DEST_PATH_IMAGE021
；
S72、对比当前裂纹扩展量与预设阈值
Figure 845491DEST_PATH_IMAGE022
，如果扩展增量小于阈值，则循环将自动进入下一个海况的计算，如果裂纹扩展增量大于预设阈值，则当前扩展增量将累积至上一个循环结果，并更新裂纹尺寸和对应的有限元模型。
8.根据权利要求7所述的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S71包括：
将疲劳裂纹视为一种损伤缺陷，将结构性能的退化甚至是最终的破坏归咎于裂纹损伤的存在和发展，为对裂纹损伤加以表征，引入等效累积损伤率概念，表达如下：
Figure 446236DEST_PATH_IMAGE024
式中
Figure 440737DEST_PATH_IMAGE025
为第i个海况的等效累积损伤率；V为应力强度因子范围阈值；R为应力比；
所述S72包括：
循环次数根据各短期海况之循环次数的累积而成，每个短期海况下的循环次数
Figure 178273DEST_PATH_IMAGE026
由其时间跨度与跨零周期确定，可将一定短期海况下的裂纹扩展量表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
式中
Figure 207409DEST_PATH_IMAGE029
对应为第i个短期海况下的裂纹扩展增量及循环次数统计，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为第i个短期海况下的零阶矩和二阶矩。
9.根据权利要求2所述的疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述S8终止条件校验，包括如下步骤：
S81、如果更新后的裂纹尺寸达到临界值，终止计算并跳出循环；
S82、如果当前裂纹尺寸尚未触及临界条件，则循环继续，并进入下一个海况的循环。
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