文档介绍：第 6 卷第 4 期船舶力学 Vol. 6 No. 4
2002 年 8 月 Journal of Ship Mechanics Aug. 2002
文章编号: 1007- 7294( 2002) 04- 0062- 07
潜艇锥柱结合壳焊趾表面裂纹疲劳寿命计算
黄小平 1, 崔维成 1, 石德新 2
( 1 上海交通大学船舶与海洋工程学院, 上海 200030;
2 哈尔滨工程大学船舶工程学院, 黑龙江哈尔滨 150001)
摘要: 随着潜艇用钢屈服强度的不断提高, 潜艇耐压壳体的直径及锥壳的半锥角的不断加大, 潜艇耐压壳体锥
柱结合壳连接焊缝焊趾处的疲劳寿命已越来越受到设计人员的重视, 但目前还没有可靠的设计方法可以遵循。
针对潜艇锥柱结合壳连接焊缝处的受力特点为压弯组合应力, 在分析了平行于裂纹面的应力、曲率的约束以及
液楔的作用对潜艇焊趾表面裂纹疲劳寿命的影响进行分析后认为, 潜艇锥柱结合壳焊趾表面裂纹疲劳寿命计算
可以采用对压应力进行修正的应力强度因子计算模型。本文给出了对压应力进行修正的应力强度因子计算式,
在此基础上提出了一套能考虑焊趾处应力集中以及焊接残余应力等影响的受压弯应力焊接结构焊趾裂纹疲劳
寿命计算方法。对初始表面裂纹形状和大小对疲劳寿命的影响进行了系列计算。计算结果表明, 本方法预报出的
疲劳寿命与实验结果在量级上是吻合的, 但在推向实用之前还需要做更多的实验验证。
关键词: 焊趾; 表面裂纹; 疲劳寿命; 潜艇
中图分类号: O346. 2 U661. 43 文献标识码: A
潜艇结构的疲劳热点部位是锥柱结合壳连接焊趾处, 焊趾表面裂纹及其疲劳扩展导致结构的失
效是该结构破坏的主要形式[1 - 3]。随着潜艇耐压壳体的直径及锥壳的半锥角加大, 在锥柱结合壳处会
产生很高的局部应力, 潜艇疲劳问题将更加突出。由于潜艇锥柱结合壳连接焊缝处及其附近区域的受
力特征为压弯组合应力, 在压弯组合应力作用下的板表面裂纹应力强度因子及疲劳寿命如何计算至
今仍未解决。过去在计算潜艇锥柱结合壳处的表面裂纹应力强度因子时只考虑了弯矩的作用, 未考虑
压应力的影响, 也没有涉及裂纹扩展形貌变化规律[3 - 5]。
表面裂纹一般可用半椭圆表面裂纹来描述。鉴于表面裂纹的常见性、复杂性和重要性, 自 70 年代
开始就一直有人对这个问题进行研究, 但由于表面裂纹的三维性, 影响疲劳裂纹扩展的因素众多及试
验技术的复杂性, 这方面还有不少工作要做。笔者对压弯组合应力下表面裂纹应力强度因子及其疲劳
裂纹形貌变化进行了研究[6 ]。本文在文献[ 6] 的基础上, 考虑焊接残余应力, 裂纹闭合效应等的影响。
1 潜艇锥柱壳焊趾表面裂纹应力强度因子
1. 1 压弯应力下表面裂纹应力强度因子
文献[ 6] 给出的考虑压应力影响的表面裂纹应力强度因子表达式为

a a a 2c
K = H
F , , ,
f (
) ( 1)
I b c t w !
式中:
a 1. 65 1/ 2
1. 0+ 1. 464
= c

b
= (
b 0+
)
a
f (
)= 1+
t
b 0
收稿日期: 2001-