[发明专利]一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样

说明书

本发明涉及一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样，所述的试样为在基底平板上制作的缩比尺开口试样，其特征在于，所述的缩比尺开口试样的原型为中央开口并具有对称性四个角隅的开口结构中的一个角隅，包括基底平板上部、基底平板下部和在基底平板中部挖孔后形成的开口角隅区域，在基底平板上部和基底平板下部分别设置有上销钉孔和下销钉孔，在开口角隅区域的开口处预制有缺陷尖端。本发明可以用来定量研究角隅处的疲劳裂纹扩展规律。

技术领域

本发明涉及一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样，通过在(腐蚀、高温、高压)疲劳试验机上对缩比尺的开口角隅试样进行疲劳拉伸试验，既可定性对船舶舱口开孔、飞行器舷窗开孔等开口结构处的不同角隅形状和尺寸进行优化选择，也可定量测量不同角隅形式的疲劳裂纹扩展速率。此外，还可以探究材料的种类、厚度以及环境等因素对开口结构疲劳性能和强度的影响，从而对开口结构角隅疲劳的前期理论推导和有限元模拟结果进行疲劳物理试验对比验证，增强研究成果的可靠性和科学性。

背景技术

疲劳破坏是船舶与海洋工程结构和航空器零部件破坏的主要原因之一。疲劳问题最初是由德国工程师Albert于1829年在研究焊接链条断裂时提出，1839年Poncelent在巴黎大学演讲时首次正式提出了疲劳这一概念。在1852-1870年间，德国铁路工程师奥格斯特·维勒(August)首次进行了系统性的疲劳研究，设计发明了第一台疲劳试验机，研究了疲劳寿命与应力的关系并提出了S-N曲线。在此之后，Ewing和Hunfery首次发现了疲劳滑移痕迹与微裂纹。一直以来，船舶结构的疲劳和断裂问题都是造船界所关注的热点课题，但是直到70年代末才开始被人们重视起来。

为满足特定的空间和装卸需求，一些大型船舶会在舷侧部位或甲板上设置大开口结构，例如某集装箱船的开口横向长度甚至占到了甲板全宽的1/5，大开口的存在中断了甲板在船长方向上的连续性，形成几何上的突变，导致甲板应力的重新分配。船舶在随机波浪中航行时，船体的垂向弯曲、水平弯曲及扭转变形使大开口处产生极高的应力，导致严重的应力集中现象，并且应力集中区域在拉压循环载荷作用下，很容易产生疲劳破坏以及脆性断裂，导致局部结构失效甚至整船折断的重大事故，严重威胁船体结构和人员的安全。对于豪华邮轮等载客船舶，为了布置观景阳台也会在舷侧板架设计大量开口结构，事实证明，大多数船舶海损事故就是因为船上开口角隅处的应力集中而引起的疲劳破坏。

目前，针对开口结构角隅区域疲劳性能的研究主要集中在有限元模拟上，例如申请号为201920532249.5的专利通过有限元软件进行数值模拟计算，公开了一种新型抗疲劳舱口角隅的优化设计形式，但没有通过试验进行对比验证，无法知晓其在实际工程中的应用情况。再如以申请号201110452375.8为例的大多数专利均采用紧凑拉伸(CT)试样来测量疲劳裂纹扩展参量，无法针对开口结构的角隅特定区域展开疲劳研究。还有一些针对开口结构的物理试验主要关注点在结构开口后对整体强度的影响以及角隅形状对应力集中系数的影响上，未见有通过缩比尺疲劳试验对开口角隅区域的疲劳问题展开过研究的文献报道。

发明内容

为了克服现有研究方法的不足，本发明提供了一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样，针对某种开口结构通过缩比尺疲劳试验确定其角隅区域优选形式，可以用来定量研究角隅处的疲劳裂纹扩展规律。为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种开口结构角隅疲劳及裂纹扩展测量试样，所述的试样为在基底平板上制作的缩比尺开口试样，其特征在于，所述的缩比尺开口试样的原型为中央开口并具有对称性四个角隅的开口结构中的一个角隅，包括基底平板上部、基底平板下部和在基底平板中部挖孔后形成的开口角隅区域，在基底平板上部和基底平板下部分别设置有上销钉孔和下销钉孔，在开口角隅区域的开口处预制有缺陷尖端。

进一步地，所述的测量试样的开口角隅区采用直角、内圆角、外圆角、椭圆或抛物线中的一种作为过渡形式。

所述的开口结构的外形为正方形、矩形或圆形。

缩比尺开口试样为上下对称结构。