銅合金網衣結構的疲勞性能試驗研究

王紹敏，邱 嶼，郭杰進，袁太平，楊謝秋，陶啟友，黃小華，胡 昱，劉海陽

(1 中國水產科學研究院南海水產研究所，農業農村部外海漁業開發重點實驗室，廣東省網箱工程技術研究中心，廣東 廣州510300；2 武漢理工大學交通學院，湖北 武漢 430063)

發展深遠海網箱養殖正在成為水產養殖業的一種全球趨勢[1]。銅合金網衣網箱結構因其高強度、耐腐蝕、防附著以及可回收等優點，已被用于日本、澳大利亞、智利等多個國家的海水網箱養殖中[2-3]。用于水產養殖時，銅合金網衣除了受自身的重力作用外，還會受到循環的波浪荷載的作用，深遠海的極端環境與高頻變化波浪海流載荷可能會導致網箱結構的疲勞失效，因此有必要對網箱結構的可靠性和安全性進行評估。

由于銅合金自身的優勢，自20世紀80年代開始，銅合金網衣網箱開始逐步用到水產養殖行業[4]。由于全球養殖海域分布廣，生態水文狀況以及水產養殖技術的發展程度相異，造成各國在銅合金網衣網箱養殖應用上的特殊性和復雜性。在復雜的海況條件下，銅合金網衣的極限承載能力和在特定環境下的疲勞壽命成為銅合金網衣投入使用之前亟待解決的問題。目前已有文獻對銅合金網衣、網箱系統的力學性能研究主要集中在其水動力性能上[5-11]。Tsukrov等[5]利用有限元方法對張力腿網箱的力學性能進行了評估，并預測了網箱系統在開放海洋環境中的整體力學性能。Zhao等[12]、Bai等[13]基于彎曲梁理論對波浪荷載作用下的網衣網箱系統的受力和變形進行了分析。對于網衣、網箱的疲勞性能的研究大多還是針對合成纖維的網衣網箱[14-16]，對于銅合金網衣疲勞性能的研究還較少[17]。網衣結構的疲勞極限已經是一種普遍的極限狀態，其疲勞破壞是導致網衣結構最終失效的主要原因[9,18]，有必要對銅合金網衣結構的疲勞性能進行定性評估。

本研究在銅線極限強度試驗基礎上，分別開展銅線和網衣結構的疲勞試驗，分析不同載荷下銅線和網衣結構的疲勞壽命及破壞模式，并繪制出各自的疲勞壽命曲線。同時，考慮加工拐角的影響，采用切口應力法對銅合金網衣結構的疲勞強度進行重新評估，為銅合金網衣結構的安全評估提供依據。

1 網衣材料與結構

1.1 網衣材料

銅合金網衣結構主要采用日本三菱公司進口的銅線編制，該銅線是一種特殊的黃銅，具有優異的耐腐蝕性，適用于咸水和海水。其主要化學成分：質量比為65.98%的銅、0.634%的錫、0.53%的鋁、0.001%的鉛和32.855%的鋅。銅線的彈性模量為E=110 GPa，泊松比μ=0.35，密度ρ=8 330 kg/m3。為得到銅線材料的應力-應變特性曲線，疲勞試驗前先進行銅線材料的拉伸強度試驗(圖1)。加載過程和參數測試參考GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》[19]。考慮材料的分散性，分別對試樣U1～U5開展拉伸強度試驗，拉伸試驗的銅線直徑4 mm、長度110 mm。5個試樣的極限強度分別為495.3、513.4、492.4、498.8 和504.2 MPa，結果較為接近，本研究銅線結構的極限強度值取平均值500.8 MPa。

圖1 銅線試樣拉伸試驗

1.2 網衣結構

為方便網衣結構的編織和裝配，銅線被加工成等間距目腳(圖2a)，半目腳長50 mm，線徑4 mm，拐角處采用平滑曲線過度，以避免引起過大的應力集中和初始損傷。銅線縱橫交錯組合成最終的網衣結構(圖2b)。為減小試件初始缺陷對試驗結果的影響，試驗前需進行外觀檢測，查驗試驗區域的銅線是否有初損傷或裂紋。

圖2 銅線規格和網衣結構

2 疲勞試驗

2.1 試驗工裝

疲勞試驗所采用的網衣結構試件由9根縱向的銅線和11根橫向的銅網裝配而成(圖3)。

圖3 銅網試驗工裝

為便于網衣結構的夾持與加載，上下夾具內部設置凹槽；為保證結構均勻受力，螺栓各點扭矩保持一致。考慮到加工后銅線本身存在局部拐角和應力集中現象，其疲勞性能會大幅降低，由此類銅線裝配構成的銅網疲勞性能也會受到影響，本研究依次從兩方面開展試驗，研究加工后銅線結構的疲勞性能，并在此基礎上討論銅網裝配的影響。

2.2 疲勞試驗載荷

加工銅線的疲勞試驗荷載依據上述銅線的極限強度值σb=500.8 MPa分為4級(表1)。疲勞荷載最大值取為0.45 σb，最小值取為0.17σb，每級載荷下分別取3～5根試件進行疲勞試驗。試驗載荷采用正弦波加載(圖4)。頻率的選擇需要綜合考慮試樣、試驗機和試樣的剛度，保證疲勞加載的穩定，同時避免疲勞試驗工程中出現較大的振動。考慮到作用在銅合金網上的載荷主要是隨機波浪載荷，載荷的無規律特點導致依據實際載荷進行試驗難以實現，因此，在研究波浪荷載作用下海水結構的力學特性的方法中，隨機波浪荷載通常被簡化為規則波。當載荷的頻率和大小確定后，周期性循環載荷可用于簡化實際波浪載荷。對于波浪載荷的頻率，Hartt[20]研究了焊接結構鋼在海水中0.1～3 Hz載荷下的疲勞性能。為了研究波浪載荷對網格結構的影響，Lader等[21]通過選擇5組頻率為1～1.42 Hz的拉伸載荷來模擬波浪載荷。Siriruk等[22]選擇了頻率為1 Hz的拉伸載荷，以研究海水環境對碳纖維-乙烯基酯基復合材料疲勞性能的影響。Perezal等[23]在研究高強度鋼在海水中的腐蝕和損傷時，海浪的頻率介于0.1～1 Hz。因此，本研究疲勞試驗的加載頻率選定為1～2 Hz。

表1 疲勞試驗分級循環載荷

注：σb為銅線極限強度， MPa

圖4 銅線荷載曲線

網衣結構的疲勞試驗荷載分為7級，疲勞荷載最大值取為0.34 σb，最小值取為0.06 σb。實際各級循環載荷水平見表2，每級載荷下分別取3～5根試件進行疲勞試驗。疲勞加載頻率的升高會造成試件表面溫度的升高，從而降低疲勞壽命，但考慮到網線和網衣加載頻率相近，帶來的溫度效應可以忽略。

表2 疲勞試驗分級循環載荷

3 疲勞試驗

3.1 銅線結構

根據疲勞試驗結果繪制銅線試件的S-N曲線(圖5)。

由圖5可知，S-N曲線的分散帶較小，驗證了試驗工裝的可靠性；隨著循環載荷值的增加，疲勞壽命呈下降趨勢，擬合S-N曲線方程為：

logN=-3.35logS+11.08

(1)

式中：橫坐標logN為循環次數的對數；縱坐標logS對應循環載荷值。

圖5 擬合的銅線結構S-N曲線

參照國際焊接協會(IIW)規范[24]，假定疲勞壽命200萬次對應的應力幅值為其疲勞強度值，計算得到銅線結構的疲勞強度為26.7 MPa。

3.2 網衣結構

同樣根據網衣結構疲勞試驗結果繪制網衣結構的S-N曲線(圖6)。隨著循環載荷值的增加，疲勞壽命呈下降趨勢，擬合S-N曲線方程為：

logN=-3.12logS+10.52

(2)

疲勞試驗得到的分散帶指數為Tσ=1∶1.58，疲勞壽命200萬次對應的疲勞強度值為22.5 MPa。從圖6中可知，相較于銅網的疲勞強度值26.7 MPa，網衣結構的疲勞強度值有一定程度的下降(約15.7%)，說明銅網的裝配對網衣結構的疲勞壽命有一定的影響。

圖6 擬合的銅網結構S-N曲線

3.3 斷口分析

為進一步探討銅質網衣結構的疲勞性能，對其斷面進行掃描分析。如圖7中方框所示，網衣結構的疲勞失效首先為結構中某根銅線的斷裂，之后造成整體破壞。銅網整個壽命分為裂紋萌生壽命和裂紋擴展兩個階段，從疲勞斷口上看，裂紋萌生點集中在加工拐角位置，裂紋萌生后經過一定的積累造成斷面撕裂。由于高應力下疲勞壽命較短，主要呈現為撕裂型斷口，本研究主要比較前3組試件(0.06 σb、0.08 σb和0.12 σb)的斷口形貌。如圖8所示，裂紋萌生區域斷面光滑整齊，裂紋擴展區域呈撕裂狀；隨著荷載的增加，斷口處的裂紋萌生區域逐漸減小，說明載荷值大小對銅網結構的斷面構成影響較大。

圖7 銅網破壞位置

圖8 銅網中銅線斷面形狀

4 有限元分析

4.1 有限元模型

由于實際銅網在裝配過程中存在大量的局部拐角，考慮到銅網拐角引起的應力集中效應，采用切口應力方法對上述網衣結構進行有限元分析。基于銅合金網衣結構的材料屬性和實際尺寸，采用20節點六面體單元Solid186建立網衣結構的有限元計算模型。經過網格收斂性分析，當局部網格小于1 mm×1 mm×1 mm時，拐角處應力場分布區域穩定，實際網格如圖9所示。

圖9 銅合金網衣有限元模型

4.2 數值結果

數值結果如圖10所示。在銅網拐角位置存在較大的應力集中，根據試驗觀察，實際結構的疲勞裂紋最初會在拐角處開始萌生(圖8)，有限元計算結果與實驗現象較為吻合。各級荷載作用下的切口應力集中系數見表3，計算平均值為4.06。

圖10 有限元計算結果

根據有限元計算結果繪制銅合金網衣結構的切口應力S-N曲線(圖11)。橫坐標logN為循環次數的對數，縱坐標logS則為循環載荷幅值。隨著循環載荷幅值增加，疲勞壽命下降。擬合曲線為：

logN=-3.15logS+12.49

(3)

壽命為200萬次時對應的切口應力疲勞強度值為92.1 MPa。如圖11所示，擬合的分散帶指數為Tσ=1∶1.59，和名義應力得到的分散性指數相近。

與IIW規范[19]推薦的焊接鋼結構切口應力S-N曲線(疲勞強度值225 MPa，斜率倒數m=3)相比，銅合金網衣結構得到S-N曲線的斜率倒數m為3.15，與鋼結構相近，但其切口應力疲勞強度值僅為焊接鋼結構的1/2。

5 結論

(1)加工拐角導致銅線和銅網的疲勞強度都比較低，約占極限強度值的6%，說明加工拐角對實際銅網結構的疲勞強度影響較大。考慮到銅網拐角引起的應力集中效應，采用切口應力方法對網衣結構進行有限元分析，計算得到的切口應力集中系數為4.06，試驗結果得到驗證。

(2)考慮到加工拐角和裝配工藝的影響，采用切口應力法得到的疲勞強度值為92.1MPa，但其切口應力疲勞強度值僅為焊接鋼結構的1/2。合理的拐角加工工藝和裝配工藝是提高銅合金網衣結構疲勞強度的有效手段。

(3)從疲勞斷口上看，裂紋從一點萌生，小裂紋積累到一定程度之后快速擴展最終被撕裂，銅網斷面具有明顯的撕裂痕跡；且隨著疲勞荷載的增加，斷口處的裂紋萌生區域逐漸減小，撕裂區域明顯增加，從而降低疲勞壽命。

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