銅合金網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的疲勞性能試驗(yàn)研究

王紹敏，邱 嶼，郭杰進(jìn)，袁太平，楊謝秋，陶啟友，黃小華，胡 昱，劉海陽(yáng)

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部外海漁業(yè)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東省網(wǎng)箱工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州510300；2 武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

發(fā)展深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖正在成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的一種全球趨勢(shì)[1]。銅合金網(wǎng)衣網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)因其高強(qiáng)度、耐腐蝕、防附著以及可回收等優(yōu)點(diǎn)，已被用于日本、澳大利亞、智利等多個(gè)國(guó)家的海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖中[2-3]。用于水產(chǎn)養(yǎng)殖時(shí)，銅合金網(wǎng)衣除了受自身的重力作用外，還會(huì)受到循環(huán)的波浪荷載的作用，深遠(yuǎn)海的極端環(huán)境與高頻變化波浪海流載荷可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的疲勞失效，因此有必要對(duì)網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性進(jìn)行評(píng)估。

由于銅合金自身的優(yōu)勢(shì)，自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，銅合金網(wǎng)衣網(wǎng)箱開(kāi)始逐步用到水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)[4]。由于全球養(yǎng)殖海域分布廣，生態(tài)水文狀況以及水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的發(fā)展程度相異，造成各國(guó)在銅合金網(wǎng)衣網(wǎng)箱養(yǎng)殖應(yīng)用上的特殊性和復(fù)雜性。在復(fù)雜的海況條件下，銅合金網(wǎng)衣的極限承載能力和在特定環(huán)境下的疲勞壽命成為銅合金網(wǎng)衣投入使用之前亟待解決的問(wèn)題。目前已有文獻(xiàn)對(duì)銅合金網(wǎng)衣、網(wǎng)箱系統(tǒng)的力學(xué)性能研究主要集中在其水動(dòng)力性能上[5-11]。Tsukrov等[5]利用有限元方法對(duì)張力腿網(wǎng)箱的力學(xué)性能進(jìn)行了評(píng)估，并預(yù)測(cè)了網(wǎng)箱系統(tǒng)在開(kāi)放海洋環(huán)境中的整體力學(xué)性能。Zhao等[12]、Bai等[13]基于彎曲梁理論對(duì)波浪荷載作用下的網(wǎng)衣網(wǎng)箱系統(tǒng)的受力和變形進(jìn)行了分析。對(duì)于網(wǎng)衣、網(wǎng)箱的疲勞性能的研究大多還是針對(duì)合成纖維的網(wǎng)衣網(wǎng)箱[14-16]，對(duì)于銅合金網(wǎng)衣疲勞性能的研究還較少[17]。網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的疲勞極限已經(jīng)是一種普遍的極限狀態(tài)，其疲勞破壞是導(dǎo)致網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)最終失效的主要原因[9,18]，有必要對(duì)銅合金網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的疲勞性能進(jìn)行定性評(píng)估。

本研究在銅線極限強(qiáng)度試驗(yàn)基礎(chǔ)上，分別開(kāi)展銅線和網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)，分析不同載荷下銅線和網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的疲勞壽命及破壞模式，并繪制出各自的疲勞壽命曲線。同時(shí)，考慮加工拐角的影響，采用切口應(yīng)力法對(duì)銅合金網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行重新評(píng)估，為銅合金網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估提供依據(jù)。

1 網(wǎng)衣材料與結(jié)構(gòu)

1.1 網(wǎng)衣材料

銅合金網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)主要采用日本三菱公司進(jìn)口的銅線編制，該銅線是一種特殊的黃銅，具有優(yōu)異的耐腐蝕性，適用于咸水和海水。其主要化學(xué)成分：質(zhì)量比為65.98%的銅、0.634%的錫、0.53%的鋁、0.001%的鉛和32.855%的鋅。銅線的彈性模量為E=110 GPa，泊松比μ=0.35，密度ρ=8 330 kg/m3。為得到銅線材料的應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線，疲勞試驗(yàn)前先進(jìn)行銅線材料的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)(圖1)。加載過(guò)程和參數(shù)測(cè)試參考GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》[19]?？紤]材料的分散性，分別對(duì)試樣U1～U5開(kāi)展拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，拉伸試驗(yàn)的銅線直徑4 mm、長(zhǎng)度110 mm。5個(gè)試樣的極限強(qiáng)度分別為495.3、513.4、492.4、498.8 和504.2 MPa，結(jié)果較為接近，本研究銅線結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度值取平均值500.8 MPa。

圖1 銅線試樣拉伸試驗(yàn)

1.2 網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)

為方便網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的編織和裝配，銅線被加工成等間距目腳(圖2a)，半目腳長(zhǎng)50 mm，線徑4 mm，拐角處采用平滑曲線過(guò)度，以避免引起過(guò)大的應(yīng)力集中和初始損傷。銅線縱橫交錯(cuò)組合成最終的網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)(圖2b)。為減小試件初始缺陷對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)前需進(jìn)行外觀檢測(cè)，查驗(yàn)試驗(yàn)區(qū)域的銅線是否有初損傷或裂紋。

圖2 銅線規(guī)格和網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)

2 疲勞試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)工裝

疲勞試驗(yàn)所采用的網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)試件由9根縱向的銅線和11根橫向的銅網(wǎng)裝配而成(圖3)。

圖3 銅網(wǎng)試驗(yàn)工裝

為便于網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的夾持與加載，上下夾具內(nèi)部設(shè)置凹槽；為保證結(jié)構(gòu)均勻受力，螺栓各點(diǎn)扭矩保持一致?？紤]到加工后銅線本身存在局部拐角和應(yīng)力集中現(xiàn)象，其疲勞性能會(huì)大幅降低，由此類(lèi)銅線裝配構(gòu)成的銅網(wǎng)疲勞性能也會(huì)受到影響，本研究依次從兩方面開(kāi)展試驗(yàn)，研究加工后銅線結(jié)構(gòu)的疲勞性能，并在此基礎(chǔ)上討論銅網(wǎng)裝配的影響。

2.2 疲勞試驗(yàn)載荷

加工銅線的疲勞試驗(yàn)荷載依據(jù)上述銅線的極限強(qiáng)度值σb=500.8 MPa分為4級(jí)(表1)。疲勞荷載最大值取為0.45 σb，最小值取為0.17σb，每級(jí)載荷下分別取3～5根試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)載荷采用正弦波加載(圖4)。頻率的選擇需要綜合考慮試樣、試驗(yàn)機(jī)和試樣的剛度，保證疲勞加載的穩(wěn)定，同時(shí)避免疲勞試驗(yàn)工程中出現(xiàn)較大的振動(dòng)?？紤]到作用在銅合金網(wǎng)上的載荷主要是隨機(jī)波浪載荷，載荷的無(wú)規(guī)律特點(diǎn)導(dǎo)致依據(jù)實(shí)際載荷進(jìn)行試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)，因此，在研究波浪荷載作用下海水結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性的方法中，隨機(jī)波浪荷載通常被簡(jiǎn)化為規(guī)則波。當(dāng)載荷的頻率和大小確定后，周期性循環(huán)載荷可用于簡(jiǎn)化實(shí)際波浪載荷。對(duì)于波浪載荷的頻率，Hartt[20]研究了焊接結(jié)構(gòu)鋼在海水中0.1～3 Hz載荷下的疲勞性能。為了研究波浪載荷對(duì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的影響，Lader等[21]通過(guò)選擇5組頻率為1～1.42 Hz的拉伸載荷來(lái)模擬波浪載荷。Siriruk等[22]選擇了頻率為1 Hz的拉伸載荷，以研究海水環(huán)境對(duì)碳纖維-乙烯基酯基復(fù)合材料疲勞性能的影響。Perezal等[23]在研究高強(qiáng)度鋼在海水中的腐蝕和損傷時(shí)，海浪的頻率介于0.1～1 Hz。因此，本研究疲勞試驗(yàn)的加載頻率選定為1～2 Hz。

表1 疲勞試驗(yàn)分級(jí)循環(huán)載荷

注：σb為銅線極限強(qiáng)度， MPa

圖4 銅線荷載曲線

網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)荷載分為7級(jí)，疲勞荷載最大值取為0.34 σb，最小值取為0.06 σb。實(shí)際各級(jí)循環(huán)載荷水平見(jiàn)表2，每級(jí)載荷下分別取3～5根試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。疲勞加載頻率的升高會(huì)造成試件表面溫度的升高，從而降低疲勞壽命，但考慮到網(wǎng)線和網(wǎng)衣加載頻率相近，帶來(lái)的溫度效應(yīng)可以忽略。

表2 疲勞試驗(yàn)分級(jí)循環(huán)載荷

3 疲勞試驗(yàn)

3.1 銅線結(jié)構(gòu)

根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果繪制銅線試件的S-N曲線(圖5)。

由圖5可知，S-N曲線的分散帶較小，驗(yàn)證了試驗(yàn)工裝的可靠性；隨著循環(huán)載荷值的增加，疲勞壽命呈下降趨勢(shì)，擬合S-N曲線方程為：

logN=-3.35logS+11.08

(1)

式中：橫坐標(biāo)logN為循環(huán)次數(shù)的對(duì)數(shù)；縱坐標(biāo)logS對(duì)應(yīng)循環(huán)載荷值。

圖5 擬合的銅線結(jié)構(gòu)S-N曲線

參照國(guó)際焊接協(xié)會(huì)(IIW)規(guī)范[24]，假定疲勞壽命200萬(wàn)次對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值為其疲勞強(qiáng)度值，計(jì)算得到銅線結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度為26.7 MPa。

3.2 網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)

同樣根據(jù)網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)果繪制網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的S-N曲線(圖6)。隨著循環(huán)載荷值的增加，疲勞壽命呈下降趨勢(shì)，擬合S-N曲線方程為：

logN=-3.12logS+10.52

(2)

疲勞試驗(yàn)得到的分散帶指數(shù)為T(mén)σ=1∶1.58，疲勞壽命200萬(wàn)次對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度值為22.5 MPa。從圖6中可知，相較于銅網(wǎng)的疲勞強(qiáng)度值26.7 MPa，網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度值有一定程度的下降(約15.7%)，說(shuō)明銅網(wǎng)的裝配對(duì)網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的疲勞壽命有一定的影響。

圖6 擬合的銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)S-N曲線

3.3 斷口分析

為進(jìn)一步探討銅質(zhì)網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的疲勞性能，對(duì)其斷面進(jìn)行掃描分析。如圖7中方框所示，網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的疲勞失效首先為結(jié)構(gòu)中某根銅線的斷裂，之后造成整體破壞。銅網(wǎng)整個(gè)壽命分為裂紋萌生壽命和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段，從疲勞斷口上看，裂紋萌生點(diǎn)集中在加工拐角位置，裂紋萌生后經(jīng)過(guò)一定的積累造成斷面撕裂。由于高應(yīng)力下疲勞壽命較短，主要呈現(xiàn)為撕裂型斷口，本研究主要比較前3組試件(0.06 σb、0.08 σb和0.12 σb)的斷口形貌。如圖8所示，裂紋萌生區(qū)域斷面光滑整齊，裂紋擴(kuò)展區(qū)域呈撕裂狀；隨著荷載的增加，斷口處的裂紋萌生區(qū)域逐漸減小，說(shuō)明載荷值大小對(duì)銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)的斷面構(gòu)成影響較大。

圖7 銅網(wǎng)破壞位置

圖8 銅網(wǎng)中銅線斷面形狀

4 有限元分析

4.1 有限元模型

由于實(shí)際銅網(wǎng)在裝配過(guò)程中存在大量的局部拐角，考慮到銅網(wǎng)拐角引起的應(yīng)力集中效應(yīng)，采用切口應(yīng)力方法對(duì)上述網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。基于銅合金網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的材料屬性和實(shí)際尺寸，采用20節(jié)點(diǎn)六面體單元Solid186建立網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格收斂性分析，當(dāng)局部網(wǎng)格小于1 mm×1 mm×1 mm時(shí)，拐角處應(yīng)力場(chǎng)分布區(qū)域穩(wěn)定，實(shí)際網(wǎng)格如圖9所示。

圖9 銅合金網(wǎng)衣有限元模型

4.2 數(shù)值結(jié)果

數(shù)值結(jié)果如圖10所示。在銅網(wǎng)拐角位置存在較大的應(yīng)力集中，根據(jù)試驗(yàn)觀察，實(shí)際結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋最初會(huì)在拐角處開(kāi)始萌生(圖8)，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象較為吻合。各級(jí)荷載作用下的切口應(yīng)力集中系數(shù)見(jiàn)表3，計(jì)算平均值為4.06。

圖10 有限元計(jì)算結(jié)果

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果繪制銅合金網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)的切口應(yīng)力S-N曲線(圖11)。橫坐標(biāo)logN為循環(huán)次數(shù)的對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)logS則為循環(huán)載荷幅值。隨著循環(huán)載荷幅值增加，疲勞壽命下降。擬合曲線為：

logN=-3.15logS+12.49

(3)

壽命為200萬(wàn)次時(shí)對(duì)應(yīng)的切口應(yīng)力疲勞強(qiáng)度值為92.1 MPa。如圖11所示，擬合的分散帶指數(shù)為T(mén)σ=1∶1.59，和名義應(yīng)力得到的分散性指數(shù)相近。

與IIW規(guī)范[19]推薦的焊接鋼結(jié)構(gòu)切口應(yīng)力S-N曲線(疲勞強(qiáng)度值225 MPa，斜率倒數(shù)m=3)相比，銅合金網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)得到S-N曲線的斜率倒數(shù)m為3.15，與鋼結(jié)構(gòu)相近，但其切口應(yīng)力疲勞強(qiáng)度值僅為焊接鋼結(jié)構(gòu)的1/2。

5 結(jié)論

(1)加工拐角導(dǎo)致銅線和銅網(wǎng)的疲勞強(qiáng)度都比較低，約占極限強(qiáng)度值的6%，說(shuō)明加工拐角對(duì)實(shí)際銅網(wǎng)結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度影響較大。考慮到銅網(wǎng)拐角引起的應(yīng)力集中效應(yīng)，采用切口應(yīng)力方法對(duì)網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，計(jì)算得到的切口應(yīng)力集中系數(shù)為4.06，試驗(yàn)結(jié)果得到驗(yàn)證。

(2)考慮到加工拐角和裝配工藝的影響，采用切口應(yīng)力法得到的疲勞強(qiáng)度值為92.1MPa，但其切口應(yīng)力疲勞強(qiáng)度值僅為焊接鋼結(jié)構(gòu)的1/2。合理的拐角加工工藝和裝配工藝是提高銅合金網(wǎng)衣結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的有效手段。

(3)從疲勞斷口上看，裂紋從一點(diǎn)萌生，小裂紋積累到一定程度之后快速擴(kuò)展最終被撕裂，銅網(wǎng)斷面具有明顯的撕裂痕跡；且隨著疲勞荷載的增加，斷口處的裂紋萌生區(qū)域逐漸減小，撕裂區(qū)域明顯增加，從而降低疲勞壽命。

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