LEFM-Based Evaluation of Structural Stress Approaches for Fatigue Assessment of Welded CHS with Large Geometric Scale Differences
本研究评估了五种用于评估具有大几何尺度差异的焊接圆截面空心型钢接头疲劳性能的结构应力方法，发现 Xiao–Yamada 方法与线性弹性断裂力学参考值最为吻合，同时也揭示了将常规外推程序应用于此类几何形状时的局限性。
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海上风力涡轮机犹如矗立在海中的巨兽，其巨大的钢制塔筒锚定在海底，以捕捉风能。这些结构不断受到波浪和风的节奏性、持续性的推拉冲击，这种应力循环最终可能导致金属开裂并失效。为了保持这些塔筒屹立不倒，工程师们将次级结构（例如供工人登船的小型平台）直接焊接在主塔筒上。这些附件通过焊接连接，在两件钢材交汇处形成一个接头。危险在于，主塔筒规模巨大，而附着的平台相对较小。这种显著的尺寸差异在焊缝处产生了复杂的应力模式，成为了疲劳裂纹最容易萌生的隐蔽热点。几十年来，工程师们一直依赖标准规则来预测这些接头的寿命，但这些规则是针对连接部件尺寸较为接近的接头编写的。当部件尺寸差异巨大时（如现代海上风电场中的情况），旧有的规则可能不再准确，这可能导致结构面临脆弱风险，或者迫使它们被建造得过于沉重。
一个研究小组着手测试当尺寸差异达到极端时，标准的接头检测方法是否仍然有效。他们专注于一种特定的连接类型，即一个小管径管子焊接在较大的管子侧面，这种配置在风力涡轮机的次级结构中非常常见。为了了解这些接头的真实行为，该团队不仅依赖现有的公式，而是建立了一个庞大的数字模型库，模拟了数千种不同的接头形状和尺寸。他们使这些虚拟接头承受各种力量，以模拟现实世界中的风力和波浪载荷，并使用五种既定的方法计算焊缝处的应力。为了观察哪种方法真正反映了事实，他们将所有五种方法与一个基于金属中裂纹实际生长物理过程的高精度计算机模型进行了对比。这个基于物理学的模型充当了一个独立的裁判，无论使用哪种计算方法，它都提供了一个关于疲劳寿命应有的基准。
研究人员发现，计算方法的选择会产生显著差异，且这种差异很大程度上取决于接头的形状及其受载方式。当他们应用用于平板结构或典型管状接头的标准规则时，结果与基于物理学的真相存在较大偏差。这些传统的测量方法通过观察距离焊缝一小段距离处的金属表面来估算应力，它们难以捕捉到这些大规模、不对称连接中的真实应力状态。测量点相对于焊缝的位置成为了一个关键因素；由于几何形状如此特殊，标准的测量点有时会落在无法反映实际危险区域的位置。相比之下，另外两种方法表现得更好。其中一种方法观察的是沿着裂纹路径、位于金属表面下方仅一毫米处的应力，它与基于物理学的参考模型几乎完美契合。另一种方法通过计算穿过金属厚度的力和力矩来计算应力，也显示出高度的一致性。然而，标准的表面外推法表现出更多的离散性，这意味着对于这些特定的、大规模的接头，它们的预测一致性和可靠性较低。
研究还揭示了控制应力的因素在不同情况下并不相同。当主塔筒本身发生弯曲或拉伸时，焊缝处的应力主要由壁厚比和附着臂的细长比驱动。然而，当附着的臂本身受到载荷时，情况就发生了变化。在这些情况下，应力取决于厚度比、两个管子的相对直径以及主塔筒的细长比之间的复杂组合。研究人员发现，这些因素并非简单的叠加，而是以非线性的方式相互作用，这意味着改变一个维度可能会对其他维度的应力产生意想不到的影响。这种复杂性表明，将旧公式直接应用于这些新的大型结构是有风险的。这些原本为部件尺寸更为接近的接头开发的标准规则，并不能自动适用于海上风电所使用的巨大单桩结构。
最终，这项工作凸显了当前工程实践中的一个空白。用于评估焊接管状接头疲劳程度的标准程序，并不能直接迁移到现代海上风电基础上的大型附件上。研究人员证明，使用错误的方法会导致不一致的安全评估。观察金属表面下方应力的方法，为这些特定的大规模连接提供了最一致且最可靠的疲劳寿命图景。这一发现表明，对于这些特定的、大规模的连接，工程师可能需要放弃传统的表面测量，转而采用能够更好地捕捉驱动裂纹生长的亚表面应力梯度的分析方法。虽然该研究是使用计算机模拟和理想化的焊接形状进行的，但其结果提供了一个明确的警告：这些巨大海上结构的几何形状是独特的，确保其安全的工具也必须同样精确。在这些新见解被写入设计规范之前，还需要通过对真实焊接接头的物理测试来进行验证，但前进的路径现在已变得清晰得多。
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