海洋工程结构疲劳分析新技术

Lecture Notes：Introduction
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2. 疲劳问题数值模拟方法进展 扩展有限元法的应用
Daux等采用了XFEM研究了二维分叉裂纹和多裂纹交叉问题，在采用 裂纹面和裂尖富集函数的基础上，提出了在位移近似函数中增加反应 裂纹分叉位置附近间断特性的联结函数。Sukumar等采用快速推进法 研究了三维平面裂纹扩展问题，并在后 续工作中逐步研究了多个平面裂纹的扩 展问题及三维非平面裂纹扩展问题。未
ABS规范
S-N曲线法 谱分析法 断裂力学法 疲劳设计系数
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Lecture Notes：Introduction
谢 谢
E-mail: dingyong@
Lecture Notes：Introduction
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1. 引言 Introduction
疲劳累积损伤理论
结构在多级恒幅交变应力作 用下总的疲劳损伤度D等于
各应力范围水平下的损伤度
Di之和
ni D Di i i Ni
k k
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1. 引言 Introduction
展速率有很好的预测。
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2. 疲劳问题数值模拟方法进展 2.2 扩展有限元方法 XFEM
XFEM是在标准有限元框架下, 连续区域采用标准有限元方 法, 在包含不连续边界的较狭窄的区域内 ,对有限元的位移 近似函数进行修正，并增加了对不连续边界的描述方法。 借助于对所研究问题的已有认识，在满足单位分解的前提 下，在位移近似函数中增加了更能反映实际间断特性的函 数项，提高了计算精度。同时，采用水平集方法LSM或快 速推进法FMM描述间断界面，使间断的描述独立于有限元 网格，避免了计算过程中的网格重构。
Lecture Notes：Introduction
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1. 引言 Introduction S-N曲线法疲劳理论较为简单，可以避免对裂纹尖端场的应 力分析，适合于裂纹生成寿命在总寿命中占主要部分的结构， 但结构中一般存在不可避免的微裂纹；断裂力学法可以更好 地反映尺度效应，能为己存在裂纹的结构提供一个更准确的 剩余寿命评估方法，但必须要有裂纹初始状态的形状参数， 不确定因素比较多。最科学合理的方法是将这两种方法结合 起来，但这样比较复杂，涉及到很多因素。由于每种因素都 含有不确定性，这样就会导致最后的结果有很大的不确定性 或离散性因此，目前还没有一个完全统一的疲劳分析方法。
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5. 海洋工程中关于疲劳问题的相关规范简介
FATIGUE ASSESSMENT OF OFFSHORE STRUCTURES,ABS——GUIDE AND COMMENTARY DNV RP-C203 and RP-C206 海洋工程结构物疲劳强度评估指南, CCS
Erdogan将疲劳裂纹扩展率与应力强度因子幅值ΔK
联系起来，提出了 Paris-Erdogan 公式
da C (K ) m dN
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2. 疲劳问题数值模拟方法进展
随着数值模型和仿真设计技术的发展，我们需 要做的最重要的工作就是精确估计疲劳参数， 诸如三维的产生裂纹的物体的应力强度因子。 目前，对于简单的产生裂纹的几何物体，求得 应力强度因子是比较容易的，但是对于任意形
1. 引言
Introduction
1 内容： 结构的疲劳破坏是一个极其复杂的过程， 在微观层次上很难用严格的理论方法进行 描述或模拟。目前的疲劳分析方法基本都 是建立在宏观层次上的。一般分为两大类： 一是基于Palmgren-Miner线性累积损伤 准则和S-N曲线的疲劳累积损伤方法，一 般简称S-N曲线法；一是基于ParisErdogan裂纹扩展理论的断裂力学方法， 一般简称断裂力学法。
S-N曲线
工程中常用交变应力的应力
范围S与结构在应力范围为
S的恒幅交变作用下达到疲 劳破坏所需应力循环次数N 来表示结构的疲劳强度
Lecture Notes：Introduction
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1. 引言 Introduction
断裂力学方法 断裂力学建立以后，应用线弹性断裂力学的原理提 出了多种裂纹扩展计算模型，1963年Paris和
introduction6工程中常用交变应力的应力范围工程中常用交变应力的应力范围s与结构在应力范围为s的恒幅交变作用下达到疲劳破坏所需应力循环次数的恒幅交变作用下达到疲劳破坏所需应力循环次数n来表示结构的疲劳强度sn曲线1
LECTURE NOTES :
海洋工程结构物疲劳分析新技术
深海工程研究中心 疲劳小组 2014年4月
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3. 疲劳问题试验方法进展 共振弯曲疲劳试验法 在试件一端施加旋转激励载荷，当旋转激励载 荷的频率接近试件固有频率时试件发生共振， 振动过程中试件截面出现交变应力，从而产生 疲劳损伤。
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4. 提高构件疲劳强度的措施 设计具有更高疲劳寿命的焊接接头 形式,提高焊接质量以减少焊接缺陷
状物体来说，数值方法是模拟三维疲劳发展过
程的唯一途径。目前，只有为数不多的数值方 法来模拟疲劳裂纹发展的过程，比较杰出的有
有限元方法，边界元方法，有限差分法，位错
分布法，扩展有限元方法。
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2. 疲劳问题数值模拟方法进展 2.1 位错分布法（Dislocation Distribution）
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2. 疲劳问题数值模拟方法进展 2.1 位错分布法（Dislocation Distribution）
疲劳裂纹扩展的根本原因主要还是由于裂纹尖端有位错 的发射。用数学模型建立连续位错理论模型，建立合理
的疲劳裂纹尖端位错模型是对裂纹尖端应力场进行计算
的首要条件。运用Muskhelisgvili应力函数求得裂纹尖端 应力，则可以求的裂纹尖端应变能密度以及整个应变能， 可以将它等同于裂纹的势能。运用能量守恒的原理，可 以求得疲劳裂纹扩展速合
单元处理方法的更加成熟，并且对其他 数值方法的借鉴研究，扩展有限元方法
一定会用途更加广泛。
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3. 疲劳问题试验方法进展
3.1 立管疲劳试验方法 轴向拉伸疲劳试验法
四点弯曲疲劳试验法
旋转弯曲疲劳试验法
共振弯曲疲劳试验法
报告内容
Contents of The Course
报告内容：
1. 引言
2. 疲劳问题数值模拟方法进展 3. 疲劳问题试验方法进展 4. 提高构件疲劳强度的措施 5. 海洋工程中关于疲劳问题的相关规范简介
报告主题: 海洋平台和立管的疲劳分析新技术发展
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疲劳裂纹是引起工件失效的一个重要原因，目前主 要是基于断裂力学理论来解决这个问题，却无法从
本质上解释疲劳裂纹扩展特性。但是现阶段基于断
裂力学理论一般只是针对于疲劳裂纹扩展1阶段，对 于扩展的全程特性研究还不完善，从位错理论研究 疲劳裂纹扩展特性有着重要意义。
Lecture Notes：Introduction
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3. 疲劳问题试验方法进展
旋转弯曲疲劳试验法的优点是简单高效，试件通过旋 转弯曲可以保证试件外圈都达到交变应力峰值;缺点 是在一端驱动的旋转弯曲试验机中，试样必须传送扭 矩以克服轴承中的摩擦，因而试样中的应力并不是纯 单向的，导致试验结果偏于保守。
改善焊趾几何形状,降低应力集 中系数
对疲劳性能较差的焊缝 点进行相关处理
调整残余应力场,使构件 内部产生压缩应力
Lecture Notes：Introduction
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4. 提高构件疲劳强度的措施
在规范中，对提高构建疲劳强度的措施
1. 2. 3. 4. 焊缝外形修整 焊趾打磨 惰性气体保护钨极焊（TIG）熔修 锤击