斷裂力學(xué)疲勞評估研究最新動向

CCS技術(shù)研究開發(fā)中心 王思源 田 雨

疲勞和斷裂工程研究已經(jīng)超過150年，但仍在不斷發(fā)展，并且吸引當(dāng)代研究人員的關(guān)注。最近，計算力學(xué)的發(fā)展以及計算能力的迅速增強，使得海洋和船舶工業(yè)可以進行更加先進、更詳細的疲勞斷裂分析。因此，目前有許多商業(yè)工具可以并且實現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)完整的結(jié)構(gòu)完整性分析。然而，盡管新商業(yè)軟件的迅速發(fā)展，可以讓工程人員在日常工作中設(shè)計更加安全、輕便和更可靠的結(jié)構(gòu)，但是致力于現(xiàn)有疲勞設(shè)計方法的進一步改進和發(fā)展新方法仍是十分重要的。

目前國際船舶研究領(lǐng)域公認(rèn)的事實是，傳統(tǒng)的基于累積疲勞損傷（CFD）理論的S-N 曲線疲勞壽命預(yù)報方法由于忽略了載荷次序效應(yīng)、結(jié)構(gòu)初始缺陷尺寸等諸多疲勞分析中所需考慮的關(guān)鍵因素，得到的結(jié)果往往難以令人滿意，同時預(yù)報結(jié)果不能明確進行檢驗。同時S-N 曲線適用于屈服強度小于400MPa 的限制是否可以放寬還沒有明確的說法且對于帶缺陷結(jié)構(gòu)的疲勞評定不適用。而基于疲勞裂紋擴展（FCP）理論的斷裂力學(xué)疲勞壽命預(yù)報方法能夠克服CFD 理論中存在的缺陷，是海洋結(jié)構(gòu)物疲勞強度校核問題研究的發(fā)展趨勢。

疲勞裂紋擴展評估一直是疲勞研究領(lǐng)域的熱點問題。近年，實用設(shè)計裂紋開裂模型的重要性引起了研究人員的興趣。對于高質(zhì)量焊縫或處理焊縫，類似裂紋的焊接缺陷不存在，因此，開裂過程是全疲勞壽命中的重要部分。另外，為了能夠更好的裂紋增長分析，需要進一步調(diào)查短裂紋的增長。要對船舶結(jié)構(gòu)進行全壽命預(yù)報必然要涉及零點幾毫米到幾毫米的小裂紋的擴展，而且這一階段的擴展壽命卻要占整個壽命的較大比例，并且小裂紋的疲勞擴展規(guī)律和長裂紋的擴展規(guī)律有顯著的不同，因此基于斷裂力學(xué)理論疲勞評估應(yīng)用中，如果要保證結(jié)果的精確性，研究小裂紋的擴展是不能回避的問題。

現(xiàn)有的焊接局部概念不包含捕獲裂紋開裂，因為規(guī)范中的S-N曲線通常標(biāo)識最終失效的全疲勞壽命。因此，未來需要研究能將裂紋開裂和擴展分開的設(shè)計方法。為了達到這個目的，需要進一步發(fā)展現(xiàn)有裂紋開裂理論模型，并進行小裂紋擴展試驗研究，只有包含了基于試驗觀測結(jié)果的小裂紋擴展規(guī)律及其數(shù)學(xué)描述的裂紋開裂模型才有理論和應(yīng)用價值。

設(shè)計規(guī)范和相關(guān)的設(shè)計方法對結(jié)構(gòu)的安全性和完整性有著重要的影響，因此是結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要基礎(chǔ)。眾所周知，設(shè)計方法或規(guī)范的不確定性較高并且不易確定。建議工業(yè)界和學(xué)術(shù)界繼續(xù)互相合作致力于開發(fā)更有效的方法和規(guī)范用于設(shè)計更安全的結(jié)構(gòu)。此外，設(shè)計人員在疲勞和斷裂計算時需要一個通用的規(guī)范和規(guī)則。ISSC2009的報告中，成員同樣指出了這個問題。然而，期望此項工作的成果在當(dāng)今工業(yè)界進行實踐并盡快產(chǎn)生一個通用的標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)驗的Paris公式已經(jīng)被廣泛地用于評估船舶和海洋結(jié)構(gòu)物疲勞引起裂紋的擴展壽命。Paris公式認(rèn)為疲勞裂紋擴展速率取決于應(yīng)力強度因子，在小比例屈服條件下，應(yīng)力強度因子僅由裂紋尖端附近的應(yīng)力-應(yīng)變區(qū)域決定。Paris公式實際應(yīng)用時需要假定疲勞裂紋尺寸，因為微裂紋的疲勞驅(qū)動力通常低于Paris容限。

當(dāng)使用Paris公式評估構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的裂紋擴展壽命時，通常不僅依賴于載荷范圍，還依賴于載荷水平的最大或最小值。Noroozi等（2007）提出了包含應(yīng)力比影響的兩參數(shù)疲勞裂紋增長驅(qū)動力。最新的研究熱點致力于基于能量準(zhǔn)則的疲勞裂紋擴展模型，包含了裂紋尖端的彈塑性變形和混合加載模式。不同疲勞裂紋生長率模型，包括使用應(yīng)力強度因子循環(huán)范圍表達、使用裂紋開口位移范圍表達、裂紋尖端開口位移和能量釋放率范圍表達。與試驗結(jié)果比較顯示，使用裂紋尖端開口位移或能量釋放率范圍表達與應(yīng)力比無關(guān)，使用應(yīng)力強度因子循環(huán)范圍表達或裂紋開口位移范圍表達的裂紋擴展率與應(yīng)力比有很大的關(guān)系。

經(jīng)過跟蹤其他船級社研究熱點發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋擴展評估是各家船級社開展技術(shù)服務(wù)的基礎(chǔ)研究。目前國外船級社還沒有完整的基于裂紋擴展的疲勞壽命預(yù)報方法可供借鑒。為了保證今后規(guī)范轉(zhuǎn)型，在國際船級社協(xié)會較早提出我們自己的方法爭取更多的話語權(quán)，建議我社進行船舶疲勞裂紋擴展壽命預(yù)報方法實船驗證研究。

ISSC 2012年出版的SSC-462《Review of Current Practices of Fracture Repair Procedures for Ship Structures》研究報告（該項目承擔(dān)者為ABS），該研究對裂紋起始位置、裂紋評估、裂紋危險程度、裂紋容限等相關(guān)問題進行了研究；SSC 2014年未來研究熱點包括了疲勞裂紋的研究，“Real-time measurement of stress and fatigue accumulation including onset of crack and tracking crack growth”。

ABS 2007年的技術(shù)報告《Mesh Size Effects in Simulating Ductile Fracture of Metals》研究了用有限元進行斷裂分析的單元尺寸問題；ABS 2009年的技術(shù)報告《Hull Inspection and Maintenance Systems》對其使用的船舶檢測維修管理系統(tǒng)進行了介紹，該系統(tǒng)用于指導(dǎo)船體裂紋檢測維修的位置、時間以及檢測周期，該報告列出了六項船體結(jié)構(gòu)檢查衡準(zhǔn)，其中一項就是結(jié)構(gòu)斷裂，用于評估局部結(jié)構(gòu)裂紋對船體結(jié)構(gòu)的影響。

DNV GL一直在進行疲勞強度與斷裂力預(yù)報的研究，正在進行的相關(guān)研究項目名稱分別為《JIPs on fatigue strength and fracture mechanics》和《Fracture mechanics & fatigue assessment》。前者主要是基于斷裂力學(xué)預(yù)報和評估高強度鋼超厚板疲勞強度，研究重點包括：板厚和材料對焊接節(jié)點疲勞強度影響，艙口角隅疲勞強度評估，焊接節(jié)點斷裂力學(xué)性能和評估方法及低周疲勞；后者主要基于斷裂力學(xué)理論研究結(jié)構(gòu)初始裂紋尺寸，用于預(yù)報焊接節(jié)點的剩余疲勞壽命，以及評估是否需要對產(chǎn)生裂紋的焊接節(jié)點進行維修。DNV在技術(shù)能力、試驗?zāi)芰蛙浖嬎悖ò≒ROBAN and PROINSP）方面都具有能夠執(zhí)行斷裂力學(xué)疲勞評估的能力。

圖1 船舶檢測維修系統(tǒng)斷裂模塊

圖2 板厚和材料對焊縫影響試驗

NK于2009年出版了止裂設(shè)計指南，從2011年開始，NK進行了大比例和實尺度結(jié)構(gòu)模型試驗，用于研究止裂中鋼板板厚對斷裂韌度的影響，同時對動態(tài)裂紋傳播及其相關(guān)內(nèi)容進行了有限元分析。

圖3 大比例和實尺度結(jié)構(gòu)模型試驗

出于對北極圈石油和天然氣開發(fā)增加的興趣，除了對建造惡劣環(huán)境船舶和大型船舶的興趣，斷裂和不穩(wěn)定裂紋擴展的研究成為最近研究的熱點。由于船舶大型化及高強度鋼的普遍使用，傳統(tǒng)的基于累積疲勞損傷（CFD）理論的S-N曲線疲勞壽命預(yù)報方法不再適用。

中國船級社在2012年IACS PT52項目關(guān)于K系數(shù)計算驗證中疲勞裂紋擴展計算方法取得了一定的研究成果，但該研究成果是基于通用的斷裂力學(xué)理論，相關(guān)理論模型較為簡單，對于復(fù)雜載荷作用下的船體結(jié)構(gòu)，不能直接套用公式時，需要用有限元數(shù)值方法直接計算應(yīng)力強度因子。此外，在實船上應(yīng)用斷裂力學(xué)理論也需要系統(tǒng)性的深入研究并對研究成果的應(yīng)用進行驗證。為了對所建立預(yù)報模型進行驗證，需要開展疲勞損壞案例調(diào)查工作，收集掌握船舶實際營運中的疲勞損壞案例，將調(diào)查結(jié)果與相應(yīng)數(shù)值計算結(jié)果相對比，分析其符合程度以校準(zhǔn)疲勞評估方法。此項調(diào)查需要對我社營運船舶進行缺陷與事故調(diào)研，通過實船調(diào)查，確定容易發(fā)生裂紋的關(guān)鍵位置以及典型的節(jié)點形式，根據(jù)損傷調(diào)查結(jié)果對后續(xù)實船計算和驗證提出意見和建議。根據(jù)以前的調(diào)查經(jīng)驗，該項內(nèi)容難度較大，必要時可能需要現(xiàn)場驗船師提供檢測報告。

隨著營運船舶船齡的增加以及船東對船舶延長使用的要求，如何提供一套行之有效的方法和規(guī)則來對船舶的疲勞及斷裂損傷容限進行分析，為船舶的科學(xué)檢驗維修、損傷維護決策、船舶延壽決策提供依據(jù)是船級管理部門急需解決的問題。

基于斷裂力學(xué)理論的疲勞評估研究將是對我社現(xiàn)有疲勞評估規(guī)范體系的一個有力補充。通過建立成熟實用的船用鋼材裂紋疲勞壽命及安全評估方法，并在實用理論研究的基礎(chǔ)上進行軟件開發(fā)，可以在營運船舶檢驗時，將裂紋缺陷控制在安全的范圍里，為客戶提供更好的增值服務(wù)，提高營運船檢驗維修的安全性和經(jīng)濟性。