In large-sized metal structures, various stress concentrators are often present, which affects the operation of the material. These are intermittent bonds, holes, welded joints, material defects, etc. As a result of overloads under the action of an external cyclic load on structures in the area of stress raisers, the cycle asymmetry, the level of maximum stresses and deformations increase. In this case, the determination of the limit values of the stress cycles can be performed using a diagram of the limit stress amplitudes. The paper presents an engineering method for calculating the limiting stress amplitudes and constructing Hay’s diagrams. It is based on the use of mathematical models of classical linear and structural-mechanical fracture mechanics. Analytically and by calculation, the validity of the method is shown, which consists in determining the endurance limits and limiting stress amplitudes under high-cycle loading in a wide range of variation of the cycle asymmetry coefficient for ferrite-pearlite steels with a yield strength of up to 400 MPa. Thus, a generalized calculation method has been developed for determining the endurance limits for high values of cycle asymmetry and cycle stresses. The error of the method is estimated in the area of low-cycle load. The influence of constant and average load in a cycle on the endurance limit has been investigated both for high-cycle and low-cycle loading. The proposed approach allows to construct Smith and Hay’s fatigue diagrams for the tensile region, taking into account the structural characteristics of the material and the error allowed for engineering calculations.

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.

Определение давления и траектории движения носовой части судна при контакте с грунтом Аннотация: Рассчитано давление грунта на днище корпуса по траектории движения носовой части корпуса при швартовке к необорудованному берегу. В отличие от предыдущих работ представленный в статье расчёт учитывает силы инерции движения корпуса судна при контакте. Результат расчёта с учётом динамики более точен, чем расчёт при учете только статики. Показано, как можно моделировать процесс динамического взаимодействия корпуса судна и грунта. Моделирование позволяет рассчитать давление при динамическом контакте, т.е. «с ходу», грунта на корпус судна, определить размеры и места усиления днища судна. Ключевые слова: давление грунта, траектория движения, носовая часть, корпус судна. Введение Вопросом расчёта прочности судов, эксплуатация которых предусматривает посадку на грунт, занимались Азовцев А.И., Кулеш В.А., Огай А.С., Петров В.А. (см., например, [1]). Результатом их исследований является руководящий документ [3], в котором рассматривается ограничение нагрузки на корпус судна для случаев обсушки, т.е. когда судно коснулось грунта в результате отлива. Этих исследований недостаточно для практических потребностей, так как при эксплуатации суда касаются грунта, имея начальную скорость. Цель работы-показать на тестовых примерах способы расчёта давления при динамическом контакте корпуса судна с грунтом. При контакте часть днища корпуса погружается в грунт и движется по некоторой траектории. Траектория движения является результатом действия сил инерции корпуса, давления грунта и силы трения, ее важно знать, так как чем больше удаление нижней точки днища от поверхности грунта, тем выше давление. Здесь и далее «нижняя точка днища»-это нижняя точка плоскости, заменяющей днище, точка 2. По траектории движения можно определить площадь днища, контактирующую с грунтом. В последующем эта часть днища должна быть дополнительно усилена.

При выходе судна на необорудованный берег днище корпуса касается поверхности грунта, давление грунта на корпус значительно превышает забортное давление воды. Для обеспечения безопасности эксплуатации судна следует знать величину повышенного давления, определять эксплуатационные ограничения или усиливать конструкцию днища корпуса. Сила, действующая на днище, определяет траекторию движения носовой части корпуса. По траектории можно определить эту силу, площадь контакта, давление грунта и его свойства. Зная свойства грунта можно решить и обратную задачу: смоделировать траекторию, силу, максимальное давление и площадь контакта для более тяжелых условий швартовки. Например, при большей бальности волнения, скорости или водоизмещении определить усиления конструкций корпуса: требования к толщине наружной обшивки, размерам днищевых балок. Давление зависит от угла наклона днища судна и характеристик морского дна, поэтому для решения поставленной задачи требуется моделировать форму носовой части и свойства грунта: плотность, коэффициент трения, угол внутреннего трения, сцепление. Для нахождения максимального давления следует определять всю траекторию при контакте с грунтом, так как параметры движения на каждом шаге зависят от предыдущих шагов, то есть от «истории» взаимодействия корпуса с грунтом. На траекторию влияют параметры судна: форма корпуса, скорость, водоизмещение и высота волн в месте швартовки. Корпус судна считается абсолютно жестким телом по отношению к материалу грунта. Грунт рассматривается как идеально жесткопластический материал. Упругие деформации пренебрежимо малы по сравнению с пластическими. When the ship beaches to an unequipped shore, the bottom of the hull contacts the seabed surface, the soil pressure on the hull is higher than water pressure. To ensure the safe beach operation of the ship, we have to know the magnitude of the high pressure, determine operational limitations or gain the hull bottom structure. The force acting on the bottom determines the trajectory of the bow. From the trajectory, this force, contact area, soil pressure and its properties can be determined. Knowing the properties of the soil, the inverse problem can also be solved: to simulate the trajectory, force, maximum pressure and contact area for more rough mooring conditions. For example, with a greater pitching, speed or displacement, determine the reinforcement of the hull structures: requirements for the thickness of the shell, the size of the bottom beams. Pressure depends on the angle of ship bottom inclination and the characteristics of the seabed, therefore, to solve the problem, it is necessary to simulate the shape of the bow and soil properties: density, coefficient of friction, angle of internal friction, coherence. To find the maximum pressure, you should determine the full trajectory in contact with the seabed, since the motion parameters at each step depend on the previous steps, that is, on the “history” of the hull’s interaction with the seabed. The ship's parameters influence the trajectory: hull shape, speed, displacement and wave height at the beaching point. The hull is considered absolutely rigid body against to the material of the soil. Soil is considered as ideally rigid plastic material. Elastic deformations are negligible compared to plastic ones.