断裂力学疲劳评估研究最新动向

CCS技术研究开发中心 王思源 田 雨

疲劳和断裂工程研究已经超过150年，但仍在不断发展，并且吸引当代研究人员的关注。最近，计算力学的发展以及计算能力的迅速增强，使得海洋和船舶工业可以进行更加先进、更详细的疲劳断裂分析。因此，目前有许多商业工具可以并且实现大型结构完整的结构完整性分析。然而，尽管新商业软件的迅速发展，可以让工程人员在日常工作中设计更加安全、轻便和更可靠的结构，但是致力于现有疲劳设计方法的进一步改进和发展新方法仍是十分重要的。

目前国际船舶研究领域公认的事实是，传统的基于累积疲劳损伤（CFD）理论的S-N 曲线疲劳寿命预报方法由于忽略了载荷次序效应、结构初始缺陷尺寸等诸多疲劳分析中所需考虑的关键因素，得到的结果往往难以令人满意，同时预报结果不能明确进行检验。同时S-N 曲线适用于屈服强度小于400MPa 的限制是否可以放宽还没有明确的说法且对于带缺陷结构的疲劳评定不适用。而基于疲劳裂纹扩展（FCP）理论的断裂力学疲劳寿命预报方法能够克服CFD 理论中存在的缺陷，是海洋结构物疲劳强度校核问题研究的发展趋势。

疲劳裂纹扩展评估一直是疲劳研究领域的热点问题。近年，实用设计裂纹开裂模型的重要性引起了研究人员的兴趣。对于高质量焊缝或处理焊缝，类似裂纹的焊接缺陷不存在，因此，开裂过程是全疲劳寿命中的重要部分。另外，为了能够更好的裂纹增长分析，需要进一步调查短裂纹的增长。要对船舶结构进行全寿命预报必然要涉及零点几毫米到几毫米的小裂纹的扩展，而且这一阶段的扩展寿命却要占整个寿命的较大比例，并且小裂纹的疲劳扩展规律和长裂纹的扩展规律有显著的不同，因此基于断裂力学理论疲劳评估应用中，如果要保证结果的精确性，研究小裂纹的扩展是不能回避的问题。

现有的焊接局部概念不包含捕获裂纹开裂，因为规范中的S-N曲线通常标识最终失效的全疲劳寿命。因此，未来需要研究能将裂纹开裂和扩展分开的设计方法。为了达到这个目的，需要进一步发展现有裂纹开裂理论模型，并进行小裂纹扩展试验研究，只有包含了基于试验观测结果的小裂纹扩展规律及其数学描述的裂纹开裂模型才有理论和应用价值。

设计规范和相关的设计方法对结构的安全性和完整性有着重要的影响，因此是结构设计的重要基础。众所周知，设计方法或规范的不确定性较高并且不易确定。建议工业界和学术界继续互相合作致力于开发更有效的方法和规范用于设计更安全的结构。此外，设计人员在疲劳和断裂计算时需要一个通用的规范和规则。ISSC2009的报告中，成员同样指出了这个问题。然而，期望此项工作的成果在当今工业界进行实践并尽快产生一个通用的标准。

经验的Paris公式已经被广泛地用于评估船舶和海洋结构物疲劳引起裂纹的扩展寿命。Paris公式认为疲劳裂纹扩展速率取决于应力强度因子，在小比例屈服条件下，应力强度因子仅由裂纹尖端附近的应力-应变区域决定。Paris公式实际应用时需要假定疲劳裂纹尺寸，因为微裂纹的疲劳驱动力通常低于Paris容限。

当使用Paris公式评估构件或结构的裂纹扩展寿命时，通常不仅依赖于载荷范围，还依赖于载荷水平的最大或最小值。Noroozi等（2007）提出了包含应力比影响的两参数疲劳裂纹增长驱动力。最新的研究热点致力于基于能量准则的疲劳裂纹扩展模型，包含了裂纹尖端的弹塑性变形和混合加载模式。不同疲劳裂纹生长率模型，包括使用应力强度因子循环范围表达、使用裂纹开口位移范围表达、裂纹尖端开口位移和能量释放率范围表达。与试验结果比较显示，使用裂纹尖端开口位移或能量释放率范围表达与应力比无关，使用应力强度因子循环范围表达或裂纹开口位移范围表达的裂纹扩展率与应力比有很大的关系。

经过跟踪其他船级社研究热点发现，疲劳裂纹扩展评估是各家船级社开展技术服务的基础研究。目前国外船级社还没有完整的基于裂纹扩展的疲劳寿命预报方法可供借鉴。为了保证今后规范转型，在国际船级社协会较早提出我们自己的方法争取更多的话语权，建议我社进行船舶疲劳裂纹扩展寿命预报方法实船验证研究。

ISSC 2012年出版的SSC-462《Review of Current Practices of Fracture Repair Procedures for Ship Structures》研究报告（该项目承担者为ABS），该研究对裂纹起始位置、裂纹评估、裂纹危险程度、裂纹容限等相关问题进行了研究；SSC 2014年未来研究热点包括了疲劳裂纹的研究，“Real-time measurement of stress and fatigue accumulation including onset of crack and tracking crack growth”。

ABS 2007年的技术报告《Mesh Size Effects in Simulating Ductile Fracture of Metals》研究了用有限元进行断裂分析的单元尺寸问题；ABS 2009年的技术报告《Hull Inspection and Maintenance Systems》对其使用的船舶检测维修管理系统进行了介绍，该系统用于指导船体裂纹检测维修的位置、时间以及检测周期，该报告列出了六项船体结构检查衡准，其中一项就是结构断裂，用于评估局部结构裂纹对船体结构的影响。

DNV GL一直在进行疲劳强度与断裂力预报的研究，正在进行的相关研究项目名称分别为《JIPs on fatigue strength and fracture mechanics》和《Fracture mechanics & fatigue assessment》。前者主要是基于断裂力学预报和评估高强度钢超厚板疲劳强度，研究重点包括：板厚和材料对焊接节点疲劳强度影响，舱口角隅疲劳强度评估，焊接节点断裂力学性能和评估方法及低周疲劳；后者主要基于断裂力学理论研究结构初始裂纹尺寸，用于预报焊接节点的剩余疲劳寿命，以及评估是否需要对产生裂纹的焊接节点进行维修。DNV在技术能力、试验能力和软件计算（包括PROBAN and PROINSP）方面都具有能够执行断裂力学疲劳评估的能力。

图1 船舶检测维修系统断裂模块

图2 板厚和材料对焊缝影响试验

NK于2009年出版了止裂设计指南，从2011年开始，NK进行了大比例和实尺度结构模型试验，用于研究止裂中钢板板厚对断裂韧度的影响，同时对动态裂纹传播及其相关内容进行了有限元分析。

图3 大比例和实尺度结构模型试验

出于对北极圈石油和天然气开发增加的兴趣，除了对建造恶劣环境船舶和大型船舶的兴趣，断裂和不稳定裂纹扩展的研究成为最近研究的热点。由于船舶大型化及高强度钢的普遍使用，传统的基于累积疲劳损伤（CFD）理论的S-N曲线疲劳寿命预报方法不再适用。

中国船级社在2012年IACS PT52项目关于K系数计算验证中疲劳裂纹扩展计算方法取得了一定的研究成果，但该研究成果是基于通用的断裂力学理论，相关理论模型较为简单，对于复杂载荷作用下的船体结构，不能直接套用公式时，需要用有限元数值方法直接计算应力强度因子。此外，在实船上应用断裂力学理论也需要系统性的深入研究并对研究成果的应用进行验证。为了对所建立预报模型进行验证，需要开展疲劳损坏案例调查工作，收集掌握船舶实际营运中的疲劳损坏案例，将调查结果与相应数值计算结果相对比，分析其符合程度以校准疲劳评估方法。此项调查需要对我社营运船舶进行缺陷与事故调研，通过实船调查，确定容易发生裂纹的关键位置以及典型的节点形式，根据损伤调查结果对后续实船计算和验证提出意见和建议。根据以前的调查经验，该项内容难度较大，必要时可能需要现场验船师提供检测报告。

随着营运船舶船龄的增加以及船东对船舶延长使用的要求，如何提供一套行之有效的方法和规则来对船舶的疲劳及断裂损伤容限进行分析，为船舶的科学检验维修、损伤维护决策、船舶延寿决策提供依据是船级管理部门急需解决的问题。

基于断裂力学理论的疲劳评估研究将是对我社现有疲劳评估规范体系的一个有力补充。通过建立成熟实用的船用钢材裂纹疲劳寿命及安全评估方法，并在实用理论研究的基础上进行软件开发，可以在营运船舶检验时，将裂纹缺陷控制在安全的范围里，为客户提供更好的增值服务，提高营运船检验维修的安全性和经济性。