点蚀及振动对疲劳损伤的影响研究现状和展望_王金.pdf

点蚀及振动对疲劳损伤的影响研究现状和展望王金1，闵少松2，周刚3，胡志远2，滑林2，吴梵2(1.海军装备部驻上海地区第一军事代表室，上海201913；2.海军工程大学舰船与海洋学院，湖北武汉430033；3.中国人民解放军 91959 部队，海南三亚572000)摘 要:疲劳破坏是船体结构的主要失效模式之一，而点蚀、振动影响下的疲劳损伤问题愈发严重，相关机理尚不明确。通过分别对点蚀、振动影响下的疲劳损伤研究现状进行梳理和综述，可以发现：目前的研究主要集中于腐蚀疲劳和振动疲劳，腐蚀疲劳把点蚀作为电化学腐蚀的结果，振动疲劳直接将振动作为导致结构疲劳失效的载荷形式。因此，本文认为之后的研究重点是针对船体典型结构，把点蚀作为结构损伤形式，把振动作为一种影响因素，进一步明确点蚀、振动对疲劳损伤的影响机理。关键词：典型船体结构；疲劳损伤；点腐蚀；振动效应中图分类号：U663.2文献标识码：A文章编号：16727649(2022)24000105doi：10.3404/j.issn.16727649.2022.24.001Research status and prospect of pitting corrosion and vibration on fatigue damageWANGJin1,MINShao-song2,ZHOUGang3,HUZhi-yuan2,HUALin2,WUFan2(1.TheFirstMilitaryRepresentativeOfficeoftheNavalEquipmentinShanghai,Shanghai201913,China;2.DepartmentofNavalArchitectureEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China;3.No.91404UnitofPLA,Sanya527000,China)Abstract:Fatiguedamagecausedbypittingandvibrationbecomesmoreandmoreserious,whichisoneofthemainfailuremodesofshipstructures,whiletherelatedmechanismisnotclearyet.Throughsortingandsummarizingtheresearchstatusoffatiguedamageundertheinfluenceofpittingcorrosionandvibrationrespectively,itcanbefoundthatthecurrentresearchmainlyfocusesoncorrosionfatigueandvibrationfatigue.Corrosionfatiguetakespittingcorrosionastheresultofelectrochemicalcorrosion,andvibrationfatiguedirectlytakesvibrationastheloadformleadingtostructuralfatiguefailure.Therefore,thispaperconsidersthatthefollowingresearchfocusesontypicalhullstructures,takingpittingcorrosionasthestructuraldamageformandvibrationasaninfluencingfactor,andfurtherclarifyingtheinfluencemechanismofpittingcor-rosionandvibrationonfatiguedamage.Key words:typicalhullstructure；fatiguedamage；pittingcorrosion；vibrationeffect0引言疲劳破坏作为船体结构的主要失效模式，始终是船舶领域的热点问题。船体结构长期处于复杂恶劣的海况下，会产生严重的腐蚀问题，目前腐蚀的主要表现形式是点蚀，而带点蚀船体结构的疲劳损伤问题愈发严重。船舶在恶劣海况、高航速等条件下航行时，船体结构的振动响应十分明显，而振动影响下船体结构的疲劳损伤机理目前还尚不明确，给高航速下船舶安全航行造成了极大威胁。鉴于此，本文的主要目的是分别梳理综述点蚀、振动影响下船体结构的疲劳损伤研究现状，为今后开展相关的研究提供思路。1点蚀对疲劳损伤的影响研究现状船体结构在长期服役下，通常都会发生腐蚀、疲劳等累积性损伤，导致船体结构极限强度大大降低。第 44卷第24期舰船科学技术Vol.44,No.242022年12月SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYDec.,2022收稿日期:20211130基金项目:国家自然科学基金资助项目（52001326；51779261）作者简介:王金(1990)，男，硕士，工程师，研究方向为船体结构和船舶装置。腐蚀和疲劳是船体结构的主要损伤形式，腐蚀分为整体腐蚀和局部腐蚀1。整体腐蚀以均匀腐蚀为主，均匀腐蚀的损伤评估可以认为类似于厚度减少的无点蚀船体结构，目前已有许多较为成熟的研究26。而局部腐蚀的最主要形式是点腐蚀，还包括缝隙腐蚀、空泡腐蚀和电偶腐蚀等78。图1点蚀形式示意图Fig.1Diagramofpittingforms点蚀损伤和疲劳破坏问题始终是船舶领域的热点问题。为明确点蚀损伤的影响机理，国内外学者利用数值仿真和试验等手段开展了大量的研究。Paik 等910基于非线性数值分析和镀箱式钢板压缩试验，研究发现在边缘剪切作用下，点腐蚀程度是影响带点蚀钢板极限强度的重要参数，而在轴向压缩载荷下，穿过点蚀区域的最小横截面面积则成为主要影响参数。该研究虽然致力于探究影响带点蚀钢板极限强度的关键参数，但是并没有研究点蚀分布和尺寸等参数对极限强度的影响规律。针对这一问题，Ok 等1112以带有不同位置和尺寸局部腐蚀的面板为研究对象，结果表明局部腐蚀区的尺寸对面板的极限强度折减有较大影响，而板的柔度对极限强度的折减却几乎没有影响，据此提出了预估极限强度的计算公式。但是该研究并未考虑蚀点间相互作用的影响，而是用矩形坑代替蚀坑群，与实际相比仍有较大差距，准确性有待商榷。Nakai 等1314采用有限元数值模拟和试验等手段，对老化散货船货舱框架的极限强度和点蚀形状进行研究，发现散货船的点蚀截面形状主要是圆锥形，径深比往往处于特定的范围内，并且在侧向扭转屈曲和局部面屈曲的失效模式下，研究点蚀对船体结构强度的影响可以将点蚀等效为均匀腐蚀处理。但是该研究并不具有普遍性。国内方面，YuanYao 等15通过船体板单轴拉伸试验，研究了点蚀形式、尺寸等参数对船体板力学性能的影响规律。LiangFeng 等16对含点蚀加筋板进行数值计算，探究了点腐蚀程度、蚀坑深度和分布对船体加筋板极限强度的影响规律。YanZhang 等1720以点腐蚀体积作为主要参数表征船体板点蚀损伤程度，并提出了相应的船体板极限剪切屈曲强度的计算公式。这些研究主要集中在点蚀参数（形式、位置、尺寸和分布等）对船体板和船体加筋板的极限强度等力学性能的影响规律方面，并未考虑点蚀影响下船体板的疲劳损伤问题，但是实际上腐蚀和疲劳对船体结构的影响具有交互性。研究表明，腐蚀和疲劳共同作用时对船体结构产生的破坏比单一作用时的破坏更加严重2123。点蚀的存在改变了构件的应力分布，容易产生局部应力集中，导致疲劳裂纹的产生和扩展，而裂纹扩展又会进一步降低腐蚀损伤下结构的极限强度。针对这一问题，江晓俐24认为简单的线性叠加低估了疲劳和腐蚀的共同作用带来的影响，应将腐蚀、疲劳作为非正态相关变量考虑。陈卓人等25探究了外加电位对海水中钢腐蚀疲劳裂纹扩展的影响规律。在点蚀对疲劳损伤的影响方面，上述研究把腐蚀作为一种环境因素来考虑，研究的是腐蚀疲劳问题。腐蚀疲劳问题突出腐蚀介质的化学影响，是电化学腐蚀与力学的联合作用。但是目前鲜少有文献把点蚀作为一种结构损伤形式，研究这种损伤形式对疲劳裂纹扩展的影响规律问题。2振动效应对疲劳损伤的影响现状舰船在航行过程中，船体结构会承受波浪带来的砰击颤振、主机运转时的激振力等振动载荷，继而产生疲劳断裂，最终导致事故的发生。振动疲劳不同于静载荷引起的静态疲劳，但是两者在材料疲劳破坏的机理上是完全相同的26。目前，振动疲劳问题广泛存在，但对于振动疲劳的理解未能得到广泛的认可，并且振动疲劳相关的理论尚未明确。自从 Crandall27出版随机振动，随机振动力学理论逐渐被运用到疲劳研究中。研究指出，部分因素图2基座肘板趾端局部应力云图Fig.2Localstresscloudofbasebrackettoe2舰船科学技术第44卷在估算静态疲劳寿命时可以忽略不计，但是在计算振动疲劳寿命时却影响较大28。Whaley 等29针对共振疲劳问题，研究了疲劳试验过程中能量耗散率和温度的变化规律。针对振动疲劳寿命分析问题，Sanliturk30提出了一种考虑了结构弹性、阻尼因子和惯性等因素的振动疲劳寿命计算方法；Dentsoras31研究了聚合物材料在共振条件下裂纹扩展寿命随频率的变化规律；Colakoglu32研究了裂纹萌生寿命随阻尼的变化规律。振动疲劳寿命问题的主要分析方法是时域法和频域法。雨流循环计数法是时域法的主要方法之一，计算结果精度相对较高，但是计算成本大。频域法包括窄带峰值法和宽带幅值法。由于振动疲劳本身的复杂性，用时域法准确获取较高的计算精度需要大量的信号数据，因此，频域法已经有了很多研究成果3340。Bishop41针对随机振动疲劳寿命问题，基于功率谱密度函数，进行疲劳损伤分析。Hanna42致力于建立可靠的有限元模型研究疲劳寿命评估问题。Liu 等4346许多学者对振动疲劳寿命分析也开展了大量研究。国内方面，振动疲劳研究相对较晚，主要集中在航空航天领域，一直是热点问题。为了准确预测结构振动疲劳寿命，焦群英47提出应变模态振型能够准确确定共振危险点，并且结构动力修改技术能够有效提高共振结构疲劳寿命。安刚48认为通过模拟符合统计特性的随机响应载荷谱，继而转化为疲劳载荷谱，能够更准确地进行振动疲劳寿命预测。姚军等49基于工程应用给出了简化分析方法，直观表征各种随机振动响应分布，便于准确进行振动疲劳分析。孙伟等50提出一种针对宽带叠加窄带功率谱的结构随机振动疲劳寿命估算新方法。张林波等51对常见的汽车零部件疲劳分析方法进行介绍和分析，提出在汽车工程中应用有限元疲劳分析方法。王明珠等52针对频域内用密度描述的宽带随机振动载荷情况，提出了一种结构随机振动疲劳寿命估算的样本法。曹明红等53对原有的估算方法进行简化，提出了一种处理双模态应力谱密度函数的精度更好、适用更广的方法。张淼等54基于损伤力学原理，通过仿真手段建立了预估结构振动疲劳寿命的计算公式。刘文光等5558对含裂纹板的振动和裂纹扩展耦合问题展开理论推导，用附加载荷等效代替裂纹作用，探讨了裂纹板激励位置、幅值和裂纹板尺寸等对振动响应的影响，并在此基础上，针对含V 型缺口悬臂梁的疲劳裂纹扩展寿命预测问题，采用模态频率下降率为关键参数，提出了一种新的寿命估算方法59。综上所述，国内外学者在振动疲劳的理论分析方面进行了一定的研究，但主要都是针对航空、航天领域的共振疲劳问题。而对于船舶领域的振动疲劳问题，主要集中在研究海浪砰击颤振等问题6063。这些研究主要是把振动作为一种载荷形式，直接作用于结构构件使其失效。但是对于主机基座这类船体典型结构，主机产生的激振力频率与基座构件不会形成共振，并且主机基座的疲劳破坏主要还是来自于船体航行过程中所受到的交变载荷，主机的振动并不是直接导致基座失效的外载荷，应当作为一种影响因素进行考虑。因此，针对主机基座等典型船体结构，需要把振动作为一种影响因素考虑进行研究。3结论和展望通过梳理当前点蚀、振动对疲劳损伤的影响研究现状，可知：目前点蚀对疲