基于缺口应力强度因子的高周旋转弯曲疲劳试验研究及其在船舶焊接结构评估中的应用

《Welding in the World》：High-cycle rotating bending fatigue test of notched specimens to support the application of N-SIF-based fatigue assessment approaches

为解决船舶与海洋工程结构在超高周疲劳（108循环）寿命评估中缺乏可靠数据支撑的问题，意大利热那亚大学团队开展了缺口试样的高周旋转弯曲疲劳试验研究。通过测试S355和S460两种船用钢材的100个不同缺口几何试样，系统分析了缺口开口角、尖端半径和深度对疲劳强度的影响，并结合有限元分析验证了基于应变能密度（SED）和缺口应力强度因子（N-SIF）的疲劳评估方法。结果表明：缺口几何特征显著影响疲劳强度，SED方法能有效统一不同缺口构型的疲劳数据。该研究为船舶焊接结构的超高周疲劳设计提供了重要实验依据，推动了N-SIF理论在工程实践中的应用。

　　

在船舶与海洋工程领域，焊接结构长期承受循环载荷，其疲劳寿命直接关系到结构安全。传统的疲劳评估方法如名义应力法，往往难以准确捕捉焊接接头根部与趾部等应力集中区域的复杂应力状态。更棘手的是，现行标准通常将疲劳极限设定在2×10⁶循环次数，而船舶结构在整个生命周期中实际需要承受高达10⁸次循环的载荷——这使得超高周疲劳（VHCF）性能的评估成为工程设计的盲区。焊接接头固有的几何不连续性（即缺口效应）会导致应力奇异现象，进一步加剧了疲劳评估的复杂性。尽管基于缺口应力强度因子（Notch Stress Intensity Factor, N-SIF）的局部方法（如应变能密度法SED和峰值应力法PSM）在理论上能够有效解决应力奇异问题，但由于缺乏针对旋转弯曲载荷和超高周次下的实验验证，这些先进方法尚未被现行规范采纳。

为填补这一空白，热那亚大学Marine Structures Testing Lab团队在《Welding in the World》发表了突破性研究。他们设计了涵盖S355和S460两种船用钢材的六组试样系列，通过精密加工控制缺口几何参数（开口角0°/90°/135°、尖端半径0.12-0.39mm、深度2.0-2.6mm），并采用旋转弯曲疲劳试验机进行高达5×10⁷次循环的耐久性测试。

试验过程中，研究人员通过数字图像与CAD软件结合的方式精确测量每个试样的实际几何尺寸，并采用有限元分析（FEA）计算控制体积内平均应变能密度（SED），以此验证N-SIF理论的工程适用性。

关键技术方法包括：①制备101个不同缺口几何的标准化试样；②采用43Hz频率的旋转弯曲疲劳试验系统，设置5×10⁷循环为中断极限；③结合卡尺测量与CAD数字图像分析实现缺口几何参数量化；④建立参数化有限元模型，以R₀=0.28mm为控制半径计算SED值。

疲劳试验结果分析

通过系统重组试验数据，研究发现缺口开口角对疲劳强度具有决定性影响。135°开口角试样的疲劳强度显著高于0°和90°试样，这与焊接接头中较大开口角减轻应力集中的规律一致。但出人意料的是，0°开口角（模拟未焊透缺陷）试样的疲劳强度反而略高于90°试样，这揭示了实际缺口几何复杂性对疲劳行为的非线性影响。

缺口尖端半径与深度的耦合效应

当控制其他变量时，较大尖端半径（如0.16mm）使疲劳强度比小半径（0.10-0.13mm）试样提升5%-10%。然而在S460钢材的0°开口角系列中，较小半径试样因同时具有更浅的缺口深度，反而表现出竞争优势。这表明缺口深度通过改变有效截面面积产生的效应可能与半径效应相互耦合，需通过多参数协同分析才能准确评估。

材料性能的次要影响

对比S355与S460钢材的S-N曲线发现，在相同缺口几何下，高强度钢材（S460）仅呈现有限优势。这说明在缺口主导的疲劳失效中，几何应力集中效应远超过材料本身强度的影响，颠覆了传统材料选型认知。

数值分析与SED方法验证

通过建立精细化有限元模型（图16），研究团队首次将旋转弯曲试验数据转化为SED-N曲线。

结果显示所有试验点均落在Berto与Lazzarin提出的参考曲线散射带内（图17），证实了R₀=0.28mm控制半径的普适性。特别值得注意的是，SED方法成功统一了不同开口角试样的疲劳数据趋势（图18），证明其能自动涵盖多轴应力状态，无需像传统方法那样引入应力修正系数。

本研究通过严谨的实验设计与数值模拟，明确了缺口几何参数在超高周疲劳中的主导作用，为船舶结构疲劳设计提供了三方面核心价值：首先，试验数据填补了旋转弯曲载荷下10⁷-10⁸循环区间的空白；其次，验证了SED方法对复杂缺口构型的适应性，为规范接纳局部评估方法奠定基础；最后，提出的自动化网格划分策略有望将先进疲劳评估技术集成至常规设计流程。团队下一步计划开展焊接试样的旋转弯曲试验，进一步推动该技术向工程实践转化。