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海洋工程用钢疲劳裂纹扩展速率试验研究及有限元分析

冷晓畅  
【摘要】:海洋工程结构不仅结构复杂,而且其工作环境也非常恶劣,当海洋工程结构局部萌生了疲劳裂纹,在一定的疲劳裂纹的扩展速率的情况下,疲劳裂纹扩展会对海洋工程结构造成一定破坏,这就需要研究怎样保证海洋工程的结构安全。因此研究海工用钢的疲劳裂纹扩展速率是很有意义。 本文的研究内容分为四部分:(1)关于海工用钢的疲劳裂纹扩展速率试验研究(第二章);(2)关于海工用钢疲劳裂纹扩展速率与断裂韧性CTOD的关系(第三章);(3)是关于海工用钢疲劳裂纹扩展速率的有限元分析(第四章);(4)是关于基于FRANC2D/L的海工用钢疲劳裂纹扩展细观研究。海工用钢具有厚度大,强度高,疲劳性能要求高等特点,本文选取具有代表性的海工用钢EH40钢作为研究对象。 首先,本文分析得到确定疲劳裂纹扩展载荷的公式,对海工用钢EH40进行疲劳裂纹扩展速率试验,将规范中的七点递增多项式法修改成五点递增多项式法,并编程对试验数据进行分析,得到疲劳裂纹扩展速率公式。结果表明:EH40钢的疲劳裂纹扩展速率在疲劳裂纹扩展的中速区。 其次,本文在疲劳裂纹扩展速率试验中测得裂纹嘴张开位移CMOD,通过转换得到CTOD,并计算了CTOD和疲劳裂纹扩展速率da/dN之间的关系式。同时进行了CTOD低温韧性试验,通过断口分析了预制疲劳裂纹扩展速率与断裂韧性CTOD的关系。结果表明疲劳裂纹扩展速率与断裂韧性成反比关系。 然后,本文通过虚拟裂纹闭合法(VCCT)和FRANC2D/L软件两种有限元方法模拟了疲劳裂纹扩展速率,结果表明有限元模拟得到的值与试验值基本吻合,有限元模拟疲劳裂纹扩展速率具有良好的精度。 最后,基于耦合内聚力模型(CCZM)理论,本文通过FRANC2D/L软件对两种尺寸的海工用钢EH40钢的多晶体模型,在九种边界条件下分析了晶体界面裂纹的形成和扩展。同时也分析了含有夹杂颗粒多晶体界面和疲劳载荷作用下多晶体界面的疲劳裂纹的形成和扩展。结果表明:宏观疲劳裂纹扩展在某一程度上是细观条件下晶体界面的损伤的积累形成的。研究材料细观条件下多晶体裂纹的萌生与扩展为更深入地了解疲劳裂纹扩展奠定了基础。


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