一种用于海洋结构物的疲劳损伤预测方法

本发明涉及疲劳损伤预测，尤其涉及一种用于海洋结构物的疲劳损伤预测方法。

背景技术：

1、国际贸易与海洋资源开发的需求，使得海洋结构物趋向于大型化和轻量化。高强度钢有着较高的屈服强度和抗拉强度，造价低廉且工艺成熟，因此已成为海工用钢的第一选择。海洋结构物在其工作年限内，既会受到风、浪、流等长期循环载荷作用也可能会受到台风、地震等短期极端循环载荷的作用，这将不可避免的导致高周和低周疲劳损伤的产生。近些年的数据统计表明，疲劳损伤引起的海洋结构物失效现象最为普遍。实现疲劳损伤的准确评估是进行海洋结构物结构优化和保障作业安全的关键。

2、疲劳损伤本质上就是裂纹萌生和扩展引起结构性能退化的过程。疲劳损伤往往于结构不连续及材料表面存在缺陷等区域首先产生并快速累积，进而出现裂纹的萌生，并朝着累积损伤最大区域扩展。疲劳裂纹的扩展不仅会破坏海洋结构物的水密性，还会引起结构局部甚至整体强度的降低及承载性能的下降，加大海洋结构物作业和人身安全的隐患。疲劳损伤大致可以分为以循环交变应力为主要作用的高周疲劳损伤和以塑性变形为主要作用的低周疲劳损伤。前者在出现宏观裂纹前无明显的塑性变形等几，隐蔽性强，难以进行实时监测；而后者往往在低周期循环载荷作用下产生较大的塑性变形累积，结构在短时间内出现疲劳破坏，难以及时补救。而海洋结构物的大型化、多样化和复杂化更是加大了疲劳裂纹萌生位置和疲劳寿命的预测难度。因此，结构疲劳损伤评估是海工领域一直关注的重点和难点，在海洋结构物前期设计和后期维护上均不可忽略。

3、常见的结构疲劳寿命评估方法有：名义应力法、局部应力应变法、应力应变场法、能量法、损伤力学法、功率谱密度法等。高周疲劳分析主要选用名义应力法，采用s-n曲线法进行寿命估算。对于低周疲劳，在工程上常采用局部应力应变法和基于断裂力学的裂纹扩展分析法。然而上述方法均难以实现海洋结构物从完整结构到结构失效的全过程疲劳损伤评估，而损伤力学法则从材料微元损伤的角度出发弥补了上述不足。

4、上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

5、鉴于此，特提出此发明。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种用于海洋结构物的疲劳损伤预测方法，用于预测海洋结构物中金属板材的寿命。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种用于海洋结构物的疲劳损伤预测方法，其特征在于，包括如下步骤：使用有限元分析的方法，进行运算周期累积计算，完成对海洋结构物的疲劳损伤预测，单个运算周期包括如下步骤：

4、s1：计算目标单元的弹性损伤分量；

5、s2：计算目标单元的塑性损伤分量；

6、s3：耦合目标单元的弹性损伤分量和塑性损伤分量，得到目标单元的当前运算周期总损伤值，并累积计算累积总损伤值；

7、s4：判断目标单元的累积总损伤值是否大于等于预设的临界损伤值，若是则执行s5，若否则执行s6；

8、s5：删除该目标单元；

9、s6：按照s1-s5，按照预设顺序对各目标单元进行计算；

10、s7：根据s6计算的结果判断海洋结构物的寿命。

11、进一步，所述s1包括如下步骤：

12、s11：获取参数应力分量，并获取当前运算周期周期下参数偏应力张量的最大值和最小值、；

13、s12：按照如下公式计算第一参数，

14、，

15、s13：获取当前运算周期周期下静水应力的最大值和最小值、，并按照如下公式计算平均静水应力，

16、，

17、s14：获取材料参数和反向加载时的疲劳极限，并按照如下公式计算第二参数，

18、，

19、s15：获取材料参数、抗拉强度和最大等效力，并按照如下公式计算第三参数，

20、，

21、s16：获取材料参数z、 k、 b 2 、m 0，获取目标单元上一运算周期的累积总损伤值d，并按照如下公式计算弹性损伤分量，

22、。

23、进一步，所述s2包括如下步骤：

24、s21：获取等效应力，并按照如下公式计算当前运算周期周期各时刻的损伤等效应力，并获取其中的最大值，

25、，

26、公式中，为泊松比，为当前时刻的静水应力；

27、s22：获取材料参数和，并按照如下公式计算塑性损伤分量，

28、，

29、公式中，为累积塑性应变增量，e为弹性模量。

30、进一步，所述s22还包括如下步骤：

31、s221：获取合累积塑性应变率，并按照如下公式计算累积塑性应变增量，

32、t，

33、公式中，n-1表示上一运算周期；

34、s222：按照如下公式计算弹性模量e

35、。

36、进一步，所述s3包括如下步骤：

37、s31：按照如下公式耦合目标单元的弹性损伤分量和塑性损伤分量，得到目标单元的当前运算周期总损伤值，

38、，

39、s32：将当前运算周期总损伤值加上上一运算周期计算得到的累积总损伤值更新累积总损伤值。

40、进一步，海洋结构物的寿命包括全寿命、萌生寿命和扩展寿命。

41、本发明与现有技术相比，其有益效果为：

42、1、本发明的方法，在s3中，耦合目标单元的弹性损伤分量和塑性损伤分量，获取目标单元的当前疲劳损伤总值，构建了弹塑性统一的疲劳损伤演化模型；该弹性损伤分量可以模拟海洋结构物在受外部循环低应力载荷作用下产生的高周疲劳损伤，如长达十多年高频率的风、浪、流的耦合作用；而塑性损伤分量可以模拟海洋结构物在受到短时间的大载荷作用下产生的低周疲劳损伤，如冰载荷冲击、地震、台风作用等引起的结构塑性变形产生的材料微元损伤；这样以数值量化材料微元损伤的方法，既可以实时监测隐蔽的无宏观变形的高周疲劳损伤，又可以对大塑性变形累积引起的结构疲劳损伤做出有效影响分析，进而做到对海洋结构物在整个工作年限内的安全评估实时反馈。

43、2、本发明的方法，在s4和s5中，以临界损伤值为单元删除失效判定，建立了疲劳裂纹萌生及扩展特性研究的数值分析方法，实现了海洋结构物从完整结构到结构失效整个过程的疲劳寿命及该期间内受裂纹长度影响的剩余寿命预测。

44、3、经试验验证本发明的方法具有较高的准确性。本发明的方法为疲劳损伤分析，裂纹萌生寿命、全寿命及裂纹扩展路径预测提供了理论支撑和技术手段。

技术特征：

1.一种用于海洋结构物的疲劳损伤预测方法，其特征在于，包括如下步骤：使用有限元分析的方法，进行运算周期累积计算，完成对海洋结构物的疲劳损伤预测，单个运算周期包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于海洋结构物的疲劳损伤预测方法，其特征在于，所述s1包括如下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种用于海洋结构物的疲劳损伤预测方法，其特征在于，所述s2包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种用于海洋结构物的疲劳损伤预测方法，其特征在于，所述s22还包括如下步骤：

5.根据权利要求1所述的一种用于海洋结构物的疲劳损伤预测方法，其特征在于，所述s3包括如下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种用于海洋结构物的疲劳损伤预测方法，其特征在于，海洋结构物的寿命包括全寿命、萌生寿命和扩展寿命。

技术总结本发明公开了一种用于海洋结构物的疲劳损伤预测方法，涉及疲劳损伤预测技术领域，包括如下步骤：使用有限元分析的方法，进行运算周期累积计算，完成对海洋结构物的疲劳损伤预测，单个运算周期包括如下步骤：S1：计算目标单元的弹性损伤分量；S2：计算目标单元的塑性损伤分量；S3：耦合目标单元的弹性损伤分量和塑性损伤分量，得到目标单元的当前运算周期总损伤值，并累积计算累积总损伤值；S4：判断目标单元的累积总损伤值是否大于等于预设的临界损伤值，若是则执行S5，若否则执行S6；S5：删除该目标单元。本发明的方法用于预测海洋结构物中金属板材的寿命，为疲劳损伤分析，疲劳寿命及裂纹扩展路径预测提供理论支撑和技术手段。技术研发人员：何文涛,刘亚平,曹海鹏,邵奕旻,祁玉,付昊轩,刘子睿,毕京涛受保护的技术使用者：中国海洋大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29