基于CTOD试验的厚板焊接结构疲劳强度评估方法研究

随着近代工业的发展及科学技术的进步，大厚钢板在大型的钢结构物（如：海洋平台、船舶、桥梁等）中的使用日益广泛。对于大型厚钢板焊接结构，可焊性和焊接工艺的限制使其综合力学性能难以保证；钢材厚度的增加使得裂纹区域容易产生三向拉应力而导致脆性断裂。本文围绕厚钢板焊接结构的断裂准则及疲劳评估问题展开研究，具有重要理论价值和工程现实意义。 本文首先基于裂纹开口张开位移现场测量方法开展了裂纹深度预报方法研究；然后对厚钢板焊接接头断裂韧性的实验评估方法进行了研究；同时还进行厚钢板断裂参数及疲劳裂纹扩展速率的实验测量与数值仿真方法研究；最后对船舶与海洋工程结构物典型焊接节点开展了疲劳强度评估与疲劳寿命预报方法研究。本文的主要研究结论如下： （1）在外载荷作用下表面裂纹开口的张口位移与裂纹的深度具有近似比例关系，并可用于预报二维裂纹的深度以及三维裂纹的形状和最大深度； （2）高强度钢Q370qE和Q420qE的CTOD特征值在1.1 mm以内且随温度下降而减小，当钢板厚度超过50mm时，母材试样韧度在常温下劣化严重，是厚板焊接结构最薄弱的部位； （3）厚度对裂纹扩展速率的影响随着应力比的增加而降低，应力比和厚度对裂纹扩展速率曲线的影响显示为裂纹扩展速率曲线的左右平移； （4）轴向荷载下KK型管节点热点应力的分布对于弦管的直径最为敏感，现行规范对于空间管节点向平面管节点简化的建议值得商榷； （5）在双轴疲劳载荷相位相同时，双轴载荷之间存在相互作用，对船底纵骨疲劳性能的影响不能忽略； （6）舟桥桥跨接头的断裂疲劳分析结果表明：裂纹萌生寿命所占的整个寿命期的比例随着焊接接头的部位的不同而有所变化。 2100433B

厚钢板在海洋平台、船舶、桥梁等大型钢结构物中的使用日益广泛。但由于可焊性和焊接工艺的限制，厚板焊接结构中易产生焊接残余应力甚至焊接缺陷，其关键部位的疲劳问题也逐渐受到关注。而现阶段专门针对厚板焊接结构提出的疲劳强度评估方法还比较少见。.本项目将考虑厚板焊接接头特有的Z向性能、应力集中、裂纹敏感性等因素，采用基于疲劳裂纹扩展的断裂力学方法，对厚板焊接结构进行疲劳强度评估。项目拟定对厚板焊接接头进行CTOD试验，并以表征材料断裂韧度的指标CTOD值作为断裂判据，将板厚效应引入到疲劳强度评估方法中。同时，本项目还将对厚板焊接接头CTOD试验及接头处疲劳裂纹扩展过程进行可视化数值仿真，实现CTOD试验与厚板焊接结构的疲劳强度评估之间的对接。

进行压力管道元件补偿器综合性能测试，可进行元件疲劳强度试验及刚度试验。

1954 年，世界上第一款商业客机de Havilland Comet 接连发生了两起坠毁事故，这使得“金属疲劳”一词出现在新闻头条中，引起公众持久的关注。这种飞机也是第一批使用增压舱的飞行器，采用的是方形窗口。增压效应和循环飞行载荷的联合作用导致窗角出现裂纹，随着时间的推移，这些裂纹逐渐变宽，最后导致机舱解体。Comet 空难夺去了68 人的生命，这场悲剧无时无刻不在提醒着工程师创建安全、坚固的设计。

自此以后，人们发现疲劳是许多机械零部件（例如在高强度周期性循环载荷下运行的涡轮机和其他旋转设备）失效的罪魁祸首。

1867年 ，德国的A.沃勒展示了用旋转弯曲试验获得的车轴疲劳试验结果，把疲劳与应力联系起来，提出了疲劳极限的概念，为常规疲劳设计奠定了基础。第二次世界大战中及战后，通过对当时发生的许多疲劳破坏事故的调查分析，逐渐形成了现代的常规疲劳强度设计。1945年，美国的M.A.迈因纳提出了线性损伤积累理论 。1953年，美国的A.K.黑德提出了疲劳裂纹扩展理论。之后，计算带裂纹零件的剩余寿命的具体应用，形成了损伤容限设计。20世纪60年代，可靠性理论开始在疲劳强度设计中应用。

在常规疲劳强度设计中，有无限寿命设计（将工作应力限制在疲劳极限以下，即假设零件无初始裂纹，也不发生疲劳破坏，寿命是无限的）和有限寿命设计（采用超过疲劳极限的工作应力，以适应一些更新周期短或一次消耗性的产品达到零件重量轻的目的，也适用于宁愿以定期更换零件的办法让某些零件设计得寿命较短而重量较轻）。损伤容限设计是在材料实际上存在初始裂纹的条件下，以断裂力学为理论基础，以断裂韧性试验和无损检验技术为手段，估算有初始裂纹零件的剩余寿命，并规定剩余寿命应大于两个检修周期，以保证在发生疲劳破坏之前，至少有两次发现裂纹扩展到危险程度的机会。疲劳强度可靠性设计是在规定的寿命内和规定的使用条件下，保证疲劳破坏不发生的概率在给定值（可靠度）以上的设计，使零部件的重量减轻到恰到好处。