Analytical method for determining the critical crack length in ship structures based on structural-deformation analysis
Authors: Молоков К.А. , Мамонтов А.И. , Новиков В.В. , Герман А.П. 
Published: June 2020

Возникновение и распространение трещин в судовых конструкциях во многом зависит от напряженного состояния элементов связей, характера действующих нагрузок и структурной поврежденности металла. Поэтому важным является установление аналитических зависимостей, позволяющих непосредственно, по данным структуры металла и механическим характеристикам, определить критические размеры макротрещины для нагрузок, соответствующих пределу выносливости. В статье приводятся примеры трещинообразования в конструкциях судов, статистика появления подобных повреждений, анализируются существующие представления и подходы к решению обозначенной проблемы. Исследованиями авторов установлено, что начальная стадия образования повреждений при циклических нагрузках провоцируется, как правило, концентрацией напряжений в связях при деградации механических свойств и структуры металла. Фрагментация структуры под циклическими нагрузками резко снижает пластичность области, примыкающей к вершине развивающейся макротрещины. Накопление односторонних пластических деформаций приводит к предельному состоянию пластичности этой области и лавинообразному, или ускоренному движению трещины. Установлено, что эта критическая область имеет взаимосвязь с диаметром зерна металла, характеристикой пластичности и критическим раскрытием трещины в ее вершине на пределе выносливости. На базе структурно-деформационного анализа и линейной механики разрушения разработана инженерная методика расчета ресурса. Получена простая аналитическая зависимость, позволяющая оценить критический размер макротрещины для феррито-перлитных сталей без использования известной Гриффитсовойформулы.
Возможность количественной оценки критической длины трещины на пределе выносливости имеет ключевое значение для построения инженерных методик, позволяющих вести расчет ресурса конструкций объектов морской техники.
The occurrence and propagation of cracks in ship structures largely depends on the stress state of the communication elements, the nature of the existing loads and the structural damage of the metal. Therefore, it is important to establish analytical relationships that allow, directly, according to the metal structure and mechanical characteristics, to determine the critical dimensions of macrocracks for loads corresponding to the endurance limit. The article provides examples of crack formation in ship structures, statistics on the occurrence of such damage, analyzes existing ideas and approaches to solving this problem. The authors found that the initial stage of damage formation under cyclic loads is provoked, as a rule, by the concentration of stresses in the bonds during the degradation of the mechanical properties and structure of the metal. Fragmentation of the structure under cyclic loads dramatically reduces the ductility of the area adjacent to the top of the developing macrocracks. The accumulation of one-sided plastic deformations leads to a limiting state of plasticity of this region and an avalanche-like or accelerated crack motion. It has been established that this critical region is interconnected with the grain diameter of the metal, the ductility characteristic, and the critical crack opening at its apex at the endurance limit. Based on structural-deformation analysis and linear fracture mechanics, an engineering methodology for calculating the resource has been developed. A simple analytical dependence is obtained, which allows one to estimate the critical size of macrocracks for ferritic-pearlitic steels without using the well-known Griffith formula.
The ability to quantify the critical crack length at the endurance limit is of key importance for constructing engineering methods that allow calculating the resource of structures of marine equipment.