【论文推荐】| 基于断裂相场法的海上风机单桩基础焊缝区裂纹扩展研究

论文导读与观点概要

1. 研究目的

海上风机单桩基础在焊接过程中会产生残余应力，这与风浪载荷共同作用，极易诱发焊缝区裂纹扩展，威胁结构安全。传统有限元方法在模拟裂纹扩展时需预设路径且无法兼顾效率与精度。本文旨在基于断裂相场法，建立一种无需预设裂纹路径、可实现裂纹自然扩展捕捉的高精度数值模型。研究重点探究裂纹深度、最大拉伸残余应力以及拉应力区半宽对焊缝区结构完整性和抗裂性能的影响规律，为海上风机基础的结构评估与安全设计提供理论支撑。

2. 研究方法

本文采用数值模拟与参数化分析相结合的方法：

3. 主要结果

📉 裂纹扩展路径

🔧 关键参数影响

4. 结论

文中研究基于相场断裂理论，通过引入连续相场变量表征裂纹拓扑演化，构建了含初始表面裂纹的单桩基础焊缝区数值模型。基于Francfort-Marigo变分原理建立能量泛函，将裂纹扩展问题转化为总势能（弹性应变能与断裂表面能之和）最小化过程，断裂能通过相场正则化长度参数实现裂纹宽度的弥散化表征。采用指数型退化函数建立材料刚度与相场变量的耦合关系，量化损伤导致的应变能折减效应。通过有限元软件二次开发实现相场控制方程与弹塑性本构的耦合求解，结合交替迭代算法实现裂纹路径的自适应捕捉。基于上述理论框架，系统研究了焊接残余应力场作用下裂纹扩展的力学响应特性。通过参数化分析，揭示了裂纹深度、最大拉伸残余应力与拉应力区半宽对结构完整性的影响规律，主要结论如下：

1）裂纹深度是影响焊缝区结构完整性和力学性能的关键因素，较深的裂纹显著削弱材料的承载能力，增加结构失效的风险。

2）随着最大拉伸残余应力的增加，焊缝区对裂纹扩展的抵抗能力明显降低，表现为结构承载能力的减弱。

3）在典型工程参数范围内，拉应力区半宽变化对裂纹扩展阻力的影响有限，表明该几何参数对结构抗裂性能的调控敏感性较弱。

💡 推广语：

这篇文章为海上风机“扎根”深海的安全性评估提供了新的“透视眼”。研究利用先进的断裂相场法，首次清晰揭示了焊接残余应力与裂纹深度如何联手“蚕食”单桩基础的承载力。结果明确指出，残余应力是导致焊缝“未老先衰”的元凶之一。对于从事海上风电设计、施工与运维的工程师而言，这份关于裂纹扩展机理的深度研究报告，是优化焊接工艺、制定科学检测策略不可或缺的参考依据。

相关图表

本文引用格式：林琳, 赵仕伦, 屈泱泱, 等. 基于断裂相场法的海上风机单桩基础焊缝区裂纹扩展研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(3): 23-33.  (LIN Lin, ZHAO Shilun, QU Yangyang, et al. Fracture phase-field method-based research on crack propagation in the weld region of monopile foundations for offshore wind turbines[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(3): 23-33.  (in Chinese)）

作者简介：   

林琳（1988—），女，博士，高级工程师，主要从事海上风电及海洋能开发方面的研究。E-mail： lin_lin@ctg.com.cn

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