斷裂力學疲勞評估研究最新動向

CCS技術研究開發中心 王思源 田 雨

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

目前國際船舶研究領域公認的事實是，傳統的基于累積疲勞損傷（CFD）理論的S-N 曲線疲勞壽命預報方法由于忽略了載荷次序效應、結構初始缺陷尺寸等諸多疲勞分析中所需考慮的關鍵因素，得到的結果往往難以令人滿意，同時預報結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構的疲勞評定不適用。而基于疲勞裂紋擴展（FCP）理論的斷裂力學疲勞壽命預報方法能夠克服CFD 理論中存在的缺陷，是海洋結構物疲勞強度校核問題研究的發展趨勢。

疲勞裂紋擴展評估一直是疲勞研究領域的熱點問題。近年，實用設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，需要進一步調查短裂紋的增長。要對船舶結構進行全壽命預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律和長裂紋的擴展規律有顯著的不同，因此基于斷裂力學理論疲勞評估應用中，如果要保證結果的精確性，研究小裂紋的擴展是不能回避的問題。

現有的焊接局部概念不包含捕獲裂紋開裂，因為規范中的S-N曲線通常標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計方法。為了達到這個目的，需要進一步發展現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果的小裂紋擴展規律及其數學描述的裂紋開裂模型才有理論和應用價值。

設計規范和相關的設計方法對結構的安全性和完整性有著重要的影響，因此是結構設計的重要基礎。眾所周知，設計方法或規范的不確定性較高并且不易確定。建議工業界和學術界繼續互相合作致力于開發更有效的方法和規范用于設計更安全的結構。此外，設計人員在疲勞和斷裂計算時需要一個通用的規范和規則。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今工業界進行實踐并盡快產生一個通用的標準。

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

當使用Paris公式評估構件或結構的裂紋擴展壽命時，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）提出了包含應力比影響的兩參數疲勞裂紋增長驅動力。最新的研究熱點致力于基于能量準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，包括使用應力強度因子循環范圍表達、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力比無關，使用應力強度因子循環范圍表達或裂紋開口位移范圍表達的裂紋擴展率與應力比有很大的關系。

經過跟蹤其他船級社研究熱點發現，疲勞裂紋擴展評估是各家船級社開展技術服務的基礎研究。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報方法可供借鑒。為了保證今后規范轉型，在國際船級社協會較早提出我們自己的方法爭取更多的話語權，建議我社進行船舶疲勞裂紋擴展壽命預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年的技術報告《Hull Inspection and Maintenance Systems》對其使用的船舶檢測維修管理系統進行了介紹，該系統用于指導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構檢查衡準，其中一項就是結構斷裂，用于評估局部結構裂紋對船體結構的影響。

DNV GL一直在進行疲勞強度與斷裂力預報的研究，正在進行的相關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預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點疲勞強度影響，艙口角隅疲勞強度評估，焊接節點斷裂力學性能和評估方法及低周疲勞；后者主要基于斷裂力學理論研究結構初始裂紋尺寸，用于預報焊接節點的剩余疲勞壽命，以及評估是否需要對產生裂紋的焊接節點進行維修。DNV在技術能力、試驗能力和軟件計算（包括PROBAN and PROINSP）方面都具有能夠執行斷裂力學疲勞評估的能力。

圖1 船舶檢測維修系統斷裂模塊

圖2 板厚和材料對焊縫影響試驗

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

圖3 大比例和實尺度結構模型試驗

出于對北極圈石油和天然氣開發增加的興趣，除了對建造惡劣環境船舶和大型船舶的興趣，斷裂和不穩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，傳統的基于累積疲勞損傷（CFD）理論的S-N曲線疲勞壽命預報方法不再適用。

中國船級社在2012年IACS PT52項目關于K系數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理論，相關理論模型較為簡單，對于復雜載荷作用下的船體結構，不能直接套用公式時，需要用有限元數值方法直接計算應力強度因子。此外，在實船上應用斷裂力學理論也需要系統性的深入研究并對研究成果的應用進行驗證。為了對所建立預報模型進行驗證，需要開展疲勞損壞案例調查工作，收集掌握船舶實際營運中的疲勞損壞案例，將調查結果與相應數值計算結果相對比，分析其符合程度以校準疲勞評估方法。此項調查需要對我社營運船舶進行缺陷與事故調研，通過實船調查，確定容易發生裂紋的關鍵位置以及典型的節點形式，根據損傷調查結果對后續實船計算和驗證提出意見和建議。根據以前的調查經驗，該項內容難度較大，必要時可能需要現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，為船舶的科學檢驗維修、損傷維護決策、船舶延壽決策提供依據是船級管理部門急需解決的問題。

基于斷裂力學理論的疲勞評估研究將是對我社現有疲勞評估規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上進行軟件開發，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，提高營運船檢驗維修的安全性和經濟性。