铜合金网衣结构的疲劳性能试验研究

时间：2024-05-28

王绍敏，邱屿，郭杰进，袁太平，杨谢秋，陶启友，黄小华，胡昱，刘海阳

(1 中国水产科学研究院南海水产研究所，农业农村部外海渔业开发重点实验室，广东省网箱工程技术研究中心，广东广州510300；2 武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063)

发展深远海网箱养殖正在成为水产养殖业的一种全球趋势[1]。铜合金网衣网箱结构因其高强度、耐腐蚀、防附着以及可回收等优点，已被用于日本、澳大利亚、智利等多个国家的海水网箱养殖中[2-3]。用于水产养殖时，铜合金网衣除了受自身的重力作用外，还会受到循环的波浪荷载的作用，深远海的极端环境与高频变化波浪海流载荷可能会导致网箱结构的疲劳失效，因此有必要对网箱结构的可靠性和安全性进行评估。

由于铜合金自身的优势，自20世纪80年代开始，铜合金网衣网箱开始逐步用到水产养殖行业[4]。由于全球养殖海域分布广，生态水文状况以及水产养殖技术的发展程度相异，造成各国在铜合金网衣网箱养殖应用上的特殊性和复杂性。在复杂的海况条件下，铜合金网衣的极限承载能力和在特定环境下的疲劳寿命成为铜合金网衣投入使用之前亟待解决的问题。目前已有文献对铜合金网衣、网箱系统的力学性能研究主要集中在其水动力性能上[5-11]。Tsukrov等[5]利用有限元方法对张力腿网箱的力学性能进行了评估，并预测了网箱系统在开放海洋环境中的整体力学性能。Zhao等[12]、Bai等[13]基于弯曲梁理论对波浪荷载作用下的网衣网箱系统的受力和变形进行了分析。对于网衣、网箱的疲劳性能的研究大多还是针对合成纤维的网衣网箱[14-16]，对于铜合金网衣疲劳性能的研究还较少[17]。网衣结构的疲劳极限已经是一种普遍的极限状态，其疲劳破坏是导致网衣结构最终失效的主要原因[9,18]，有必要对铜合金网衣结构的疲劳性能进行定性评估。

本研究在铜线极限强度试验基础上，分别开展铜线和网衣结构的疲劳试验，分析不同载荷下铜线和网衣结构的疲劳寿命及破坏模式，并绘制出各自的疲劳寿命曲线。同时，考虑加工拐角的影响，采用切口应力法对铜合金网衣结构的疲劳强度进行重新评估，为铜合金网衣结构的安全评估提供依据。

1 网衣材料与结构

1.1 网衣材料

铜合金网衣结构主要采用日本三菱公司进口的铜线编制，该铜线是一种特殊的黄铜，具有优异的耐腐蚀性，适用于咸水和海水。其主要化学成分：质量比为65.98%的铜、0.634%的锡、0.53%的铝、0.001%的铅和32.855%的锌。铜线的弹性模量为E=110 GPa，泊松比μ=0.35，密度ρ=8 330 kg/m3。为得到铜线材料的应力-应变特性曲线，疲劳试验前先进行铜线材料的拉伸强度试验(图1)。加载过程和参数测试参考GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》[19]。考虑材料的分散性，分别对试样U1～U5开展拉伸强度试验，拉伸试验的铜线直径4 mm、长度110 mm。5个试样的极限强度分别为495.3、513.4、492.4、498.8 和504.2 MPa，结果较为接近，本研究铜线结构的极限强度值取平均值500.8 MPa。

图1 铜线试样拉伸试验

1.2 网衣结构

为方便网衣结构的编织和装配，铜线被加工成等间距目脚(图2a)，半目脚长50 mm，线径4 mm，拐角处采用平滑曲线过度，以避免引起过大的应力集中和初始损伤。铜线纵横交错组合成最终的网衣结构(图2b)。为减小试件初始缺陷对试验结果的影响，试验前需进行外观检测，查验试验区域的铜线是否有初损伤或裂纹。

图2 铜线规格和网衣结构

2 疲劳试验

2.1 试验工装

疲劳试验所采用的网衣结构试件由9根纵向的铜线和11根横向的铜网装配而成(图3)。

图3 铜网试验工装

为便于网衣结构的夹持与加载，上下夹具内部设置凹槽；为保证结构均匀受力，螺栓各点扭矩保持一致。考虑到加工后铜线本身存在局部拐角和应力集中现象，其疲劳性能会大幅降低，由此类铜线装配构成的铜网疲劳性能也会受到影响，本研究依次从两方面开展试验，研究加工后铜线结构的疲劳性能，并在此基础上讨论铜网装配的影响。

2.2 疲劳试验载荷

加工铜线的疲劳试验荷载依据上述铜线的极限强度值σb=500.8 MPa分为4级(表1)。疲劳荷载最大值取为0.45 σb，最小值取为0.17σb，每级载荷下分别取3～5根试件进行疲劳试验。试验载荷采用正弦波加载(图4)。频率的选择需要综合考虑试样、试验机和试样的刚度，保证疲劳加载的稳定，同时避免疲劳试验工程中出现较大的振动。考虑到作用在铜合金网上的载荷主要是随机波浪载荷，载荷的无规律特点导致依据实际载荷进行试验难以实现，因此，在研究波浪荷载作用下海水结构的力学特性的方法中，随机波浪荷载通常被简化为规则波。当载荷的频率和大小确定后，周期性循环载荷可用于简化实际波浪载荷。对于波浪载荷的频率，Hartt[20]研究了焊接结构钢在海水中0.1～3 Hz载荷下的疲劳性能。为了研究波浪载荷对网格结构的影响，Lader等[21]通过选择5组频率为1～1.42 Hz的拉伸载荷来模拟波浪载荷。Siriruk等[22]选择了频率为1 Hz的拉伸载荷，以研究海水环境对碳纤维-乙烯基酯基复合材料疲劳性能的影响。Perezal等[23]在研究高强度钢在海水中的腐蚀和损伤时，海浪的频率介于0.1～1 Hz。因此，本研究疲劳试验的加载频率选定为1～2 Hz。

表1 疲劳试验分级循环载荷

注：σb为铜线极限强度， MPa

图4 铜线荷载曲线

网衣结构的疲劳试验荷载分为7级，疲劳荷载最大值取为0.34 σb，最小值取为0.06 σb。实际各级循环载荷水平见表2，每级载荷下分别取3～5根试件进行疲劳试验。疲劳加载频率的升高会造成试件表面温度的升高，从而降低疲劳寿命，但考虑到网线和网衣加载频率相近，带来的温度效应可以忽略。

表2 疲劳试验分级循环载荷

3 疲劳试验

3.1 铜线结构

根据疲劳试验结果绘制铜线试件的S-N曲线(图5)。

由图5可知，S-N曲线的分散带较小，验证了试验工装的可靠性；随着循环载荷值的增加，疲劳寿命呈下降趋势，拟合S-N曲线方程为：

logN=-3.35logS+11.08

(1)

式中：横坐标logN为循环次数的对数；纵坐标logS对应循环载荷值。

图5 拟合的铜线结构S-N曲线

参照国际焊接协会(IIW)规范[24]，假定疲劳寿命200万次对应的应力幅值为其疲劳强度值，计算得到铜线结构的疲劳强度为26.7 MPa。

3.2 网衣结构

同样根据网衣结构疲劳试验结果绘制网衣结构的S-N曲线(图6)。随着循环载荷值的增加，疲劳寿命呈下降趋势，拟合S-N曲线方程为：

logN=-3.12logS+10.52

(2)

疲劳试验得到的分散带指数为Tσ=1∶1.58，疲劳寿命200万次对应的疲劳强度值为22.5 MPa。从图6中可知，相较于铜网的疲劳强度值26.7 MPa，网衣结构的疲劳强度值有一定程度的下降(约15.7%)，说明铜网的装配对网衣结构的疲劳寿命有一定的影响。

图6 拟合的铜网结构S-N曲线

3.3 断口分析

为进一步探讨铜质网衣结构的疲劳性能，对其断面进行扫描分析。如图7中方框所示，网衣结构的疲劳失效首先为结构中某根铜线的断裂，之后造成整体破坏。铜网整个寿命分为裂纹萌生寿命和裂纹扩展两个阶段，从疲劳断口上看，裂纹萌生点集中在加工拐角位置，裂纹萌生后经过一定的积累造成断面撕裂。由于高应力下疲劳寿命较短，主要呈现为撕裂型断口，本研究主要比较前3组试件(0.06 σb、0.08 σb和0.12 σb)的断口形貌。如图8所示，裂纹萌生区域断面光滑整齐，裂纹扩展区域呈撕裂状；随着荷载的增加，断口处的裂纹萌生区域逐渐减小，说明载荷值大小对铜网结构的断面构成影响较大。

图7 铜网破坏位置

图8 铜网中铜线断面形状

4 有限元分析

4.1 有限元模型

由于实际铜网在装配过程中存在大量的局部拐角，考虑到铜网拐角引起的应力集中效应，采用切口应力方法对上述网衣结构进行有限元分析。基于铜合金网衣结构的材料属性和实际尺寸，采用20节点六面体单元Solid186建立网衣结构的有限元计算模型。经过网格收敛性分析，当局部网格小于1 mm×1 mm×1 mm时，拐角处应力场分布区域稳定，实际网格如图9所示。

图9 铜合金网衣有限元模型