循環(huán)載荷作用下鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞特性研究

李夢(mèng)偉，劉敬喜，趙 耀，繆素菲

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

鋁合金材料具備強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以減輕船體重量，提高船舶航速，因此廣泛應(yīng)用于中小型高速船舶的建造，比如軍用小型艦艇、水翼艇、穿浪雙體船等[1–2]。然而，鋁合金船舶航行速度的提高必然會(huì)導(dǎo)致遭遇載荷的增大，尤其是在中等附近海況，會(huì)遭受較強(qiáng)波浪砰擊載荷作用，使得船體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生循環(huán)高載應(yīng)力成分，造成船體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損傷[3–4]。目前，對(duì)于鋁合金結(jié)構(gòu)疲勞問題，吳雙輝[5]基于Basquin公式建立了疲勞壽命預(yù)測(cè)模型，研究了加載頻率對(duì)疲勞壽命的影響，揭示了裂紋萌生部位及其機(jī)理。徐峰[6]采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行研究，分析了應(yīng)力比與裂紋擴(kuò)展速率的關(guān)系，以及裂紋前緣形貌的方程表達(dá)。法國船級(jí)社[7]采用線彈簧法計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，對(duì)疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估，但該法事先需明確裂紋擴(kuò)展路徑。然而，多數(shù)研究工作均圍繞船體典型焊接節(jié)點(diǎn)[8–9]標(biāo)準(zhǔn)試件展開，而直接進(jìn)行鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究較少。因此，開展鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)，深入研究鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞特性，合理評(píng)估其疲勞強(qiáng)度，建立適用于鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)方法顯得尤為重要。

本文以鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，依據(jù)有限元分析結(jié)果，在保證節(jié)點(diǎn)主應(yīng)力分布一致的前提下，設(shè)計(jì)制作實(shí)尺度板架結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，確定加載方式和載荷水平，開展循環(huán)載荷作用下鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)，并利用有限元軟件Ansys和疲勞分析軟件Fe-safe對(duì)不同節(jié)點(diǎn)板架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真分析，獲取循環(huán)載荷作用下節(jié)點(diǎn)板架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與仿真測(cè)得熱點(diǎn)應(yīng)力和循環(huán)加載次數(shù)等數(shù)據(jù)，擬合得到試驗(yàn)與仿真S-N曲線并進(jìn)行比較分析，尋求鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞壽命變化規(guī)律，為鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)提供參考。

1 鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)

1.1 鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本次試驗(yàn)對(duì)象為全鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，材料為典型船用Al-Mg合金和Al-Mg-Si合金母材、焊材，材料性能特性如表1所示。

試驗(yàn)主要包括2種節(jié)點(diǎn)板架結(jié)構(gòu)，分別為節(jié)點(diǎn)1：縱骨穿過肋板，肋板一側(cè)加裝扶強(qiáng)材與縱骨面板連接；節(jié)點(diǎn)2：縱骨穿過肋板，肋板一側(cè)加裝扶強(qiáng)材，端部削斜。具體實(shí)尺度板架試件模型如圖1～圖4所示，實(shí)尺度板架模型跨距為1 200 mm；其中，節(jié)點(diǎn)1模型為單跨長1 200 mm，節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3為雙跨共2 400 mm，板架寬度與肋板高度均為 300 mm。

表1 鋁合金材料特性表Tab.1 Aluminum alloy material characteristic table

1.2 鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方案

1.2.1 疲勞試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖5所示，位于端部2塊肋板作為試驗(yàn)邊界的支撐，通過工裝固定，縱骨與端部肋板直接焊接的同時(shí)也將肘板與肋板連接，以實(shí)現(xiàn)載荷的有效傳遞，避免縱骨根部出現(xiàn)塑性破壞；中間肋板也通過工裝進(jìn)行固定，以實(shí)現(xiàn)肋板作為外殼板的邊界作用；載荷加載方面，該裝置通過半圓柱加載頭將液壓系統(tǒng)提供力以線載荷形式施加到外板結(jié)構(gòu)上。

1.2.2 疲勞試驗(yàn)步驟

1）試件模型共16件，節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2板架各8件，模型分為A，B兩組，分別編號(hào)為A1～A8和B1～B8。試驗(yàn)采用液壓伺服油源系統(tǒng)，恒幅正弦波循環(huán)加載（見圖6），載荷水平分為3級(jí)，分別為18 kN，24 kN 和 30 kN，應(yīng)力比R=0.01，加載頻率取 1 Hz，各節(jié)點(diǎn)板架加載方式如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2板架加載形式Tab.2 Load forms of node 1 and 2 plate frames

2）根據(jù)應(yīng)力仿真分析結(jié)果，確定節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2板架結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力監(jiān)測(cè)部位，布設(shè)單向應(yīng)變片，具體布設(shè)方案為：在兩端肘板與縱骨面板焊趾處部位各粘貼1片、在縱骨與中間肋板焊接處兩側(cè)各粘貼1片、縱骨腹板與外板間斷焊焊縫附近部位均勻布設(shè)4～6片，2種節(jié)點(diǎn)板架應(yīng)變片布設(shè)如圖7所示。

3）測(cè)試時(shí)采用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，跟蹤記錄監(jiān)測(cè)部位應(yīng)力及疲勞失效循環(huán)次數(shù)，并拍攝裂紋擴(kuò)展階段性照片，以供后續(xù)分析。

疲勞試驗(yàn)破壞標(biāo)準(zhǔn)取為：N為可見裂紋的周期數(shù)，由于沒有明確規(guī)定裂紋的長度，參閱相關(guān)文獻(xiàn)，一般取表面裂紋長度為20 mm時(shí)的周期數(shù)，或依據(jù)試驗(yàn)過程中實(shí)際情況而定。

1.3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8分別給出了試件A1和B2疲勞破壞后整體變形圖，圖9給出了顯示試件A1和B2疲勞裂紋萌生位置及擴(kuò)展情況的破壞位置圖。

從疲勞試驗(yàn)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，2種節(jié)點(diǎn)板架疲勞破壞模式存在以下特點(diǎn)：

1）2種節(jié)點(diǎn)板架疲勞裂紋起始部位出現(xiàn)在焊接結(jié)構(gòu)中常見的焊趾部位；

2）2種節(jié)點(diǎn)板架中縱骨上形成的宏觀型裂紋清晰可見，且裂紋位置、形狀及大小相似，最終疲勞失效形式均表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)縱骨斷裂；

3）2種節(jié)點(diǎn)板架疲勞破壞順序基本一致，均呈現(xiàn)為：縱骨面板與中間肋板焊趾處萌生裂紋→裂紋由縱骨面板邊緣向中間擴(kuò)展并延伸至腹板上→最終縱骨發(fā)生疲勞失效斷裂。

2 鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞仿真分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證疲勞試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，基于Ansys/Fe-safe平臺(tái)對(duì)2種節(jié)點(diǎn)板架進(jìn)行建模疲勞仿真分析。

2.1 鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)有限元模型

參照2種節(jié)點(diǎn)板架結(jié)構(gòu)尺寸，在保證與圖10局部結(jié)構(gòu)一致性情況下，應(yīng)用有限元軟件Ansys，選取實(shí)體單元（Solid186）建立2種節(jié)點(diǎn)板架有限元模型如圖11所示。為模擬試驗(yàn)中剛性固定邊界條件，仿真設(shè)置肋板處6個(gè)自由度固定，節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2仿真載荷取為18～32 kN（以2 kN遞增），設(shè)置8個(gè)載荷水平。

2.2 鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞仿真分析

將Ansys有限元應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入Fe-safe中進(jìn)行疲勞壽命分析，以循環(huán)載荷24 kN作用下疲勞壽命分析結(jié)果為例，為了清楚顯示2種節(jié)點(diǎn)板架結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞位置、疲勞失效時(shí)循環(huán)壽命及應(yīng)力強(qiáng)度因子，故將跨中疲勞監(jiān)測(cè)部位放大顯示，則2種節(jié)點(diǎn)板架結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)疲勞壽命、應(yīng)力強(qiáng)度因子云圖如圖12～圖13所示。從2種節(jié)點(diǎn)板架疲勞分析結(jié)果云圖中可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2板架結(jié)構(gòu)仿真得到疲勞裂紋萌生位置、最終疲勞破壞位置與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果處理

3.1 熱點(diǎn)應(yīng)力定義及求解

熱點(diǎn)應(yīng)力是指最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力或結(jié)構(gòu)中危險(xiǎn)截面上危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力。結(jié)構(gòu)應(yīng)力（或幾何應(yīng)力）指根據(jù)外載荷用線彈性力學(xué)公式或有限元計(jì)算求得結(jié)構(gòu)工作應(yīng)力，不包括焊縫形狀、裂紋、切口等引起的局部應(yīng)力集中，只依賴于構(gòu)件連接部位的幾何尺寸和載荷參量；另外焊接結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)應(yīng)力常在焊趾表面部位達(dá)到最大值，為結(jié)構(gòu)中最容易發(fā)生疲勞破壞的位置。

通過觀察各級(jí)循環(huán)載荷作用下的試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，循環(huán)加載過程中試件直接受壓的跨中部位出現(xiàn)了較為明顯的塑性變形，但試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)部位塑性變形并不明顯，且根據(jù)熱點(diǎn)應(yīng)力定義，即使在高載荷30 kN作用下測(cè)點(diǎn)應(yīng)力仍未超過材料焊接后屈服應(yīng)力。因此，本次疲勞試驗(yàn)以測(cè)取2種節(jié)點(diǎn)模型試件板架縱骨面板與中間肋板焊縫部位應(yīng)力作為熱點(diǎn)應(yīng)力的試驗(yàn)值；在疲勞仿真分析模型中，以該部位仿真得到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力作為熱點(diǎn)應(yīng)力的仿真值。

本文具體采用國際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的方法求取熱點(diǎn)應(yīng)力，即以距離熱點(diǎn)0.4 t和1.0 t為參考點(diǎn)進(jìn)行線性外推，熱點(diǎn)應(yīng)力外推插值如圖14所示。

根據(jù)熱點(diǎn)應(yīng)力線性外推法，得到如下關(guān)系：

由此得到外推插值表達(dá)式如式（2）所示：式中：σ1.0t為距焊縫 1.0t處的應(yīng)力，σ0.4t為距焊縫 0.4t處與裂紋擴(kuò)展方向垂直的45°范圍內(nèi)的最大主應(yīng)力。

將疲勞監(jiān)測(cè)部位處熱點(diǎn)應(yīng)力S、循環(huán)加載次數(shù)N等數(shù)據(jù)匯制成表格，如表3所示。從表中可以看出，仿真得到的應(yīng)力水平與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力水平基本一致，疲勞壽命基本在一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表3 試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)匯總Tab.3 Summary of test and simulation data

3.2 試驗(yàn)與仿真S-N曲線測(cè)定

S-N曲線可用于表征材料或構(gòu)件的疲勞性能，統(tǒng)稱為“疲勞性能曲線”。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在中等壽命區(qū)（104～106循環(huán)）線段，對(duì)于各級(jí)應(yīng)力水平下的對(duì)數(shù)疲勞壽命都遵循正態(tài)分布，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，中值S-N曲線為線性關(guān)系，其表達(dá)式如下：

式中，A與m為待定參數(shù)。

為對(duì)鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，通過擬合各循環(huán)載荷作用下試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)，以確定式中參數(shù)A和m，得到擬合結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)擬合Tab.4 Test and simulation data fitting

3.3 試驗(yàn)與仿真曲線比較分析

1）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，以熱點(diǎn)應(yīng)力為橫坐標(biāo)，疲勞壽命/循環(huán)加載次數(shù)為縱坐標(biāo)，擬合得到2種節(jié)點(diǎn)板架疲勞壽命-熱點(diǎn)應(yīng)力關(guān)系曲線如圖15所示。

對(duì)比節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2疲勞壽命變化曲線可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

1）2種節(jié)點(diǎn)板架的疲勞壽命-熱點(diǎn)應(yīng)力關(guān)系曲線趨勢(shì)基本一致，疲勞壽命均呈現(xiàn)隨熱點(diǎn)應(yīng)力增大而逐漸減小的規(guī)律；且可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱點(diǎn)應(yīng)力水平越趨近材料焊接后屈服應(yīng)力時(shí)，板架疲勞壽命越短。

2）節(jié)點(diǎn)2板架疲勞壽命-熱點(diǎn)應(yīng)力關(guān)系曲線始終位于節(jié)點(diǎn)1上方，說明節(jié)點(diǎn)2板架比節(jié)點(diǎn)1板架承受疲勞能力要強(qiáng)，疲勞性能更好。

3）根據(jù)試驗(yàn)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)，將擬合得到2種節(jié)點(diǎn)板架試驗(yàn)與仿真的S-N曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下進(jìn)行比較分析，2種節(jié)點(diǎn)板架S-N曲線如圖16～圖17所示。

對(duì)比2種節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)與仿真S-N曲線可以得出以下規(guī)律：

1）2種節(jié)點(diǎn)板架擬合得到試驗(yàn)與仿真S-N曲線變化趨勢(shì)基本一致，吻合度較高，說明了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性及仿真方法的可行性。

2）2種節(jié)點(diǎn)板架仿真得到的S-N曲線均位于試驗(yàn)得到的S-N曲線上方，這主要因?yàn)榉抡嬗?jì)算模型難以較為真實(shí)地模擬試件實(shí)際加工及焊接情況，是一種理想狀態(tài)的模型，計(jì)算結(jié)果也偏于危險(xiǎn)，試驗(yàn)結(jié)果SN曲線則更偏于保守、安全，實(shí)際情況下可取試驗(yàn)SN曲線為鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)提供參考。

4 結(jié) 語

通過開展循環(huán)載荷作用下鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)與疲勞仿真分析，確定了板架結(jié)構(gòu)疲勞壽命與熱點(diǎn)應(yīng)力間關(guān)系，同時(shí)通過對(duì)試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可得到以下結(jié)論：

1）試驗(yàn)表明，鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞破壞模式存在一般性規(guī)律。

2）試驗(yàn)與仿真分析得到的疲勞裂紋萌生及破壞位置基本一致，兩者測(cè)得熱點(diǎn)應(yīng)力、循環(huán)加載次數(shù)水平基本相當(dāng)，說明了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性以及仿真方法的可行性；且疲勞監(jiān)測(cè)部位熱點(diǎn)應(yīng)力水平始終未超過材料屈服極限，揭示了板架結(jié)構(gòu)失效原因主要在于高載循環(huán)應(yīng)力下產(chǎn)生的疲勞損傷。

3）通過對(duì)試驗(yàn)與仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的擬合，發(fā)現(xiàn)了疲勞壽命隨熱點(diǎn)應(yīng)力的變化規(guī)律，找出了2種節(jié)點(diǎn)板架疲勞性能的差異，得到了反映鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞壽命變化的S-N曲線及其表達(dá)式，可用于鋁合金船體板架結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估及壽命預(yù)測(cè)。

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