[发明专利]一种基于疲劳裂纹扩展的疲劳寿命预测方法

说明书

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。

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：