Deterministic model for evaluating the residual and full life of ferrite-pearlitic steels of ship hull structures

Abstract

Циклическое действие волновых нагрузок на корпус судна приводит к структурной поврежденности стали и возникновению трещин в конструкциях из-за усталости материала. Вследствие чрезмерно высоких напряжений характерные трещины появляются в районе прерывистых связей, у «жёстких точек», а также в соединениях балок набора. В предлагаемом подходе к построению кривых усталости для стали с поврежденностью и без нее могут быть использованы зависимости, позволяющие определить пределы выносливости исходного σ_fr^0 и поврежденного σ-frL материала, основанные на рассмотрении структурно механической модели. Этот подход положительно отличается от других и дает возможность рассчитывать кривые Веллера как для конкретных судостроительных сталей, так и для каждой зоны термического влияния (ЗТВ) сварного соединения отличающихся своей неоднородностью. Предлагаемые зависимости, составляющие детерминистическую модель оценки, и кривые усталости, получены путем аналитического рассмотрения стадий зарождения и распространения макротрещины при совместном решении задач. Остаточный ресурс существенно зависит от характерного размера трещины в переходной зоне между первой и второй стадией ее развития. Этот размер приоритетно определяется средней величиной зерна феррито-перлитной стали, асимметрией и амплитудой внешней нагрузки. Предложен достаточно простой инженерный подход к оценке полного ресурса сварных соединений и конструкций. The cyclic action of wave loads on the ship's hull leads to structural damage to the steel due to material fatigue and the appearance of cracks in the structures. Due to excessively high stresses, characteristic cracks appear in the area of intermittent bonds, at "hard points", as well as in the joints of the beams of the set. In the proposed approach to constructing fatigue curves for steel with and without damage, dependencies can be used to determine the fatigue limits of the original σ_fr^0 and damaged σ-frL material, based on the consideration of a structural mechanical model. This approach positively differs from others and makes it possible to calculate Weller curves both for specific shipbuilding steels and for each heat-affected zone (HAZ) of a welded joint that differs in its inhomogeneity. The proposed dependences, which make up the deterministic evaluation model, and the fatigue curves are obtained by analytical consideration of the stages of initiation and propagation of a macrocrack in the joint solution of problems. Residual life significantly depends on the characteristic size of a crack in the transition zone between the first and second stages of its development. This size is primarily determined by the average grain size of the ferritic-pearlitic steel, asymmetry and amplitude of the external load. A fairly simple engineering approach to assessing the full service life of welded joints and structures is proposed.