高强度钛合金深潜器载人舱在三种不同类型载荷下的裂纹扩展预报

随着安全性要求的提高,深潜器耐压舱的疲劳寿命评估变得越来越重要。对于耐压舱,在其服役期间经历的载荷历程包括扰动疲劳载荷和相对稳定的蠕变载荷,目前尚未有公认合适的模型来描述这一载荷谱历程。传统疲劳寿命预报方法通常忽略蠕变效应导致疲劳寿命预测较大的不确定性。为了更清楚地理解这一机理,该文对深潜器耐压舱用β-退火钛合金TC4 ELI的裂纹扩展率进行了理论分析,分别引入了三种类型载荷作用下的裂纹扩展率模型。并开展了在包含过载和保载载荷的一系列循环三角载荷下的疲劳裂纹扩展试验,对理论模型进行了验证,为合理评估深海载人潜水器的疲劳寿命提供了基础。     

海洋结构物用钛合金Ti-6AL-4V保载—疲劳试验研究

研究表明室温下疲劳峰值的保载对钛合金材料裂纹扩展速率具有明显影响,为此文章开展了室温疲劳峰值保载对潜水器用钛合金Ti-6Al-4V疲劳裂纹扩展影响的试验研究,并基于保载—疲劳裂纹扩展速率预报模型对该材料的保载—疲劳裂纹扩展速率进行了预报研究,从而验证该模型的适用性和可靠性。研究结果表明:疲劳载荷应力峰值处引入保载时间明显加速了钛合金Ti-6Al-4V疲劳裂纹扩展速率;随着应力强度因子范围的增加,保载—疲劳裂纹扩展速率与疲劳裂纹扩展速率之间的差异增加,即高应力强度因子范围下保载对裂纹扩展速率的影响加大;基于课题组提出的保载—疲劳裂纹扩展行为预报模型,对钛合金Ti-6Al-4V保载—疲劳裂纹扩展速率进行了预报,预报结果与试验结果吻合较好,从而验证了该模型的可靠性。     

基于统一的疲劳寿命预报方法（UFLP）的深潜器载人舱疲劳可靠性分析

疲劳是承受循环载荷的金属结构最重要的失效机制,现已有多种金属疲劳寿命预报方法。实际的设计、制造、加工和操作等工序环节中总是存在不确定性,这些不确定性的影响将在结构的疲劳寿命中富集,为此发展了疲劳可靠性分析。该文讨论了将疲劳可靠性分析方法和统一的疲劳寿命预报方法（UFLP）相结合的可行性,为海洋结构物的安全使用提供参考。文中的极限状态方程是基于统一的疲劳寿命预报方法（UFLP）得到的,并讨论了其中各参数对疲劳寿命的影响;针对一组TC4-ELI的疲劳裂纹扩展数据,分别采用Monte-Carlo法和JC法开展了疲劳可靠性分析,两种分析方法得到的结果彼此符合得较好。     

钛合金疲劳裂纹扩展的区间非概率可靠性分析

钛合金疲劳裂纹扩展过程受不确定因素影响,导致疲劳分析中的参数具有不确定性,有必要进行可靠性分析。本文针对概率可靠性方法对样本数量和统计信息要求较高且计算量大的局限性,提出了钛合金疲劳裂纹扩展区间非概率可靠性分析方法,将Paris模型中的不确定参数以区间表示,基于疲劳寿命模型表征了疲劳裂纹扩展的区间非概率可靠性指标,利用区间数学理论对非概率可靠性指标进行求解。通过实例计算表明,随着区间干涉程度的增加,非概率可靠性指标呈线性趋势从99.231%降至90.846%,且计算结果较概率可靠性方法更为保守,在工程应用中偏于安全。     

深海超高压环境模拟容器裂纹评定

深海超高压环境模拟容器用于模拟水下压力环境,其容器壁上承受反复载荷,容易产生疲劳裂纹.疲劳裂纹扩展是影响其断裂的主要因素.本文旨在分析半椭圆裂纹在老化的深海超高压环境模拟容器中的扩展行为,评估容器的安全性,因此对材料20MnMoNb钢的裂纹扩展特性进行了试验研究,首先考虑三角形和梯形加载情况,通过比较两组实验结果,考察了其材料对保载时间的敏感性.采用基于统一的裂纹扩展率模型的三维有限元方法进行了疲劳裂纹扩展计算,并通过CT试样的一组数值和实验结果进行了验证,最后建立了不同初始尺寸、展弦比和倾角的裂纹有限元模型,并根据裂纹在容器内壁的容许深度准则,计算了容器的剩余寿命.其分析结果可为深海超高压环境模拟容器可靠性评估提供参考.     

深海超高压环境模拟容器裂纹评定（英文）

深海超高压环境模拟容器用于模拟水下压力环境,其容器壁上承受反复载荷,容易产生疲劳裂纹。疲劳裂纹扩展是影响其断裂的主要因素。本文旨在分析半椭圆裂纹在老化的深海超高压环境模拟容器中的扩展行为,评估容器的安全性,因此对材料20MnMoNb钢的裂纹扩展特性进行了试验研究,首先考虑三角形和梯形加载情况,通过比较两组实验结果,考察了其材料对保载时间的敏感性。采用基于统一的裂纹扩展率模型的三维有限元方法进行了疲劳裂纹扩展计算,并通过CT试样的一组数值和实验结果进行了验证,最后建立了不同初始尺寸、展弦比和倾角的裂纹有限元模型,并根据裂纹在容器内壁的容许深度准则,计算了容器的剩余寿命。其分析结果可为深海超高压环境模拟容器可靠性评估提供参考。     

钛合金Ti-6Al-4V室温保载-疲劳寿命预报方法研究

在考虑小裂纹效应的基础上提出室温下保载-疲劳寿命预报模型。利用该模型对钛合金Ti-6Al-4V的疲劳寿命、不同应力水平和不同保载时间下的保载-疲劳寿命进行预报,并与相应试验结果进行对比和分析。该模型较好地描述了钛合金材料在不同保载时间和应力水平下疲劳和保载-疲劳寿命变化规律。在相同保载时间下,随着应力水平的降低,保载-疲劳寿命与疲劳寿命之间的差异降低,直至相同(应力为0.6σy)。随着应力水平的增加,保载-疲劳寿命与疲劳寿命之间的差异增加。在相同应力水平下,随着保载时间的增加,保载-疲劳寿命呈指数降低,但存在一个饱和时间值。达到该值后,保载-疲劳寿命保持不变。模型的预报值与相应的试验结果吻合较好,表明该模型对钛合金Ti-6Al-4V的保载-疲劳寿命具有良好的预报能力。     

小时间域裂纹扩展模型的可靠性分析

准确的裂纹扩展率模型是结构疲劳寿命预报的基础.考虑单个循环内裂纹长度变化的小时间域裂纹扩展率模型,能够在复杂载荷条件下计算任意微小时间域内的裂纹扩展增量.文章首先介绍了一种可用于水下耐压结构疲劳寿命分析的小时间域蠕变疲劳裂纹扩展模型,并对模型参数的敏感性进行了分析.然后选取其中几个参数作为随机变量,运用JC法、EMORM法和Monte-Carlo法计算该模型在不同裂纹长度的裂纹扩展速率的可靠度.     

4500米级载人深潜器耐压球壳疲劳可靠性分析

采用能计及裂纹闭合以及裂纹前缘的三维约束效应的裂纹扩展预报模型对我国研制中的4500米载人深潜器钛合金耐压球壳的疲劳寿命研究。参考国外同级别深潜器下潜统计数据建立了疲劳载荷概率模型,基于响应面法开展了疲劳可靠性分析,得到了失效概率及各随机变量参数敏感性结果,对载人球壳抗疲劳设计及结构安全性评估具有一定的参考意义。     

海洋结构物疲劳裂纹扩展寿命的一种工程预报方法

海洋结构物疲劳寿命的准确预报对海洋结构安全具有重要意义。基于裂纹扩展的寿命预报相比于常规的基于累积损伤理论的寿命预报方法,能够考虑载荷次序、初始缺陷等重要因素的影响,各大船级社极力推进裂纹扩展理论在海洋工程中的应用。文章从裂纹扩展法则、应力强度因子求解、疲劳载荷谱模拟上对裂纹扩展理论的工程应用进行研究,试图找出准确、合理且相对简单的方法。结合裂纹扩展的单一曲线模型、基于有限元子模型技术的应力强度因子求法以及基于谱分析的疲劳载荷谱产生方法,对某半潜式钻井平台典型焊接节点进行基于裂纹扩展疲劳寿命预报,并讨论了初始裂纹尺寸对疲劳寿命的影响。结果表明,该半潜平台焊接结构符合设计寿命的要求,初始裂纹尺寸对疲劳寿命影响很大,可为海洋结构物基于裂纹扩展的疲劳寿命预报提供参考。     

钛合金疲劳裂纹扩展速率试验及预报方法

本文针对深海载人潜水器耐压壳用钛合金,开展疲劳性能试验研究,得到该类型钛合金的室温断裂韧性,载荷比R=0.1下的疲劳裂纹扩展门槛值及疲劳裂纹扩展速率,基于选用的疲劳裂纹扩展预报模型,对载荷比R=0.1下的钛合金疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究。结果表明:在载荷比不变的前提下,应力强度因子范围是疲劳裂纹扩展速率的主要影响因素,应力强度因子范围的增加会导致疲劳裂纹扩展速率增加;考虑小裂纹效应的疲劳裂纹扩展预报模型可对钛合金的疲劳裂纹扩展行为进行准确预报。     

过载保载对金属材料疲劳裂纹扩展速率影响研究

文章基于载荷次序效应产生影响的原因和相关预报模型,提出了考虑单峰过载和保载共同作用下疲劳裂纹扩展速率预报模型。在文中提出的考虑载荷次序效应的疲劳裂纹扩展速率预报模型的基础上,对几种金属材料在单峰过载、多峰过载、过载与保载共同作用下疲劳裂纹扩展速率进行了预报研究,并将预报结果与相应试验结果进行了比较,对考虑载荷次序效应的疲劳裂纹扩展速率预报模型的适用性进行了验证。     

钛合金载人球壳的疲劳寿命可靠性分析

本文通过引入一种改进的裂纹扩展率表达式,首先给出了深海钛合金载人球壳的疲劳可靠性模型,在对模型中各随机变量的统计特征进行分析的基础上,采用ISPUD软件中的重要样本法,计算了载人球壳的疲劳可靠性指标,证明载人球壳的疲劳强度是符合设计要求的.然后,通过对各参数的灵敏度进行分析发现,随机变量m、A、Deepth、αre对最终疲劳可靠性有显著影响,必须在设计加工阶段给予足够重视,而随机变量m与A、αre与α的相关系数对最终疲劳可靠性影响不大,在实际计算中可以忽略.     

A simplified life estimation method for the spherical hull of deep manned submersibles

Creep and fatigue are involved in the loading of deep manned submersible, which is a rather complex variable amplitude pattern. Dwell effects resulting in lower life than pure fatigue are observed in the prior experimental research while no proper prediction methods are available to explain the phenomenon. Recently, the authors proposed a modified crack growth rate model to explain the creep effect under the cyclic loading which is validated for the crack growth of some titanium alloys under cyclic creep loading, however, its application is restricted to the condition where lots of parameters have to be determined based on many experiments and it is not very convenient in the material selection and primary design stage of a component. In this paper, a simplified prediction model for the load pattern of constant amplitude cyclic loading is proposed aiming at one of the most applicable materials for the pressure hull of submersibles, Ti–6Al–4V ELI. The method can be easily used to estimate the life of the pressure hull based on two series of basic mechanical properties of the material and validated by the modified crack growth rate model with parameters determined by large amounts of experimental data.     

考虑残余应力效应的深潜器耐压壳体疲劳研究

本文考虑焊接残余应力的影响,给出包含裂纹萌生和裂纹扩展全过程的载人深潜器耐压球壳疲劳寿命预报方法,分别基于局部应力-应变法和能计及负应力比效应的裂纹扩展单一曲线模型预报了耐压球壳的工艺疲劳寿命和使用疲劳寿命,研究焊接残余应力大小对球壳疲劳寿命的影响。结果表明,忽略拉伸残余应力的影响将导致疲劳寿命预测结果偏于危险;耐压球壳整体受压时,拉伸残余应力使得球壳局部区域承受拉-压循环载荷,计算使用疲劳寿命过程中须考虑其影响;降低拉伸残余应力可有效提高耐压球壳的疲劳寿命。     

改进的疲劳裂纹扩展率模型及其参数估算方法

疲劳裂纹扩展率曲线是任何基于裂纹扩展理论的疲劳寿命预报方法的基本疲劳特性。论文作者们提出了一种改进的疲劳裂纹扩展率模型,它可以解释金属疲劳试验中观察到的各种现象。为了便于工程应用,文中也给出了如何利用除裂纹扩展试验以外的其它试验结果来估算该模型参数的方法。文中还对恒幅载荷下该模型及其参数估算方法对HTS-A钢的适用性进行了分析,分析结果将为利用该模型预报由HTS-A型钢制成的海洋结构物的疲劳寿命提供基础。     

A probabilistic damage tolerance concept for welded joints. Part 1: data base and stochastic modelling

The present paper presents the necessary crack growth statistics and suggests stochastic models for a reliability analysis of the fatigue fracture of welded steel plate joints. The reliability levels are derived from extensive testing with fillet-welded joints for which the entire crack growth history has been measured, not only the final fatigue life. The statistics for the time to reach given crack depths are determined. Fracture-mechanics-derived crack growth curves are fitted to the measured experimental curves and the best fit defines the growth parameters involved for each test specimen. The derived statistics and distribution function for these parameters are used as variables in a Monte Carlo simulation (MCS). In addition a Markov model is developed as an alternative stochastic model. It is a Markov chain for which the discrete damage states are related to chosen crack depths in the material. This model works directly with the experimental time statistics. It is a “stochastic bulk approach” not involving any random variables or fracture mechanics modeling. Both models are fitted to the data base and scaled to in-service conditions. Both methods are compared and discussed. The aim is to provide data for the variables used in a MCS and to develop a Markov chain for fast reliability calculation, especially when predicting the most likely influence of numerous future inspections.     

Approximate method to determine the model parameters in a new crack growth rate model

Marine structures are subjected to complex loading histories and one of the most significant failure modes is fatigue. Accurate prediction of the fatigue life of marine structures is very important for both safe and economic design and operation. Now many researchers and engineers have realized that fatigue crack propagation theory can provide more rational basis to predict the fatigue life of metal structures. At the same time, more and more fatigue crack growth models are proposed along with a good understanding of metal fatigue mechanisms. However, it is difficult to determine a large number of model parameters, which restricts their use in practical engineering problems. Therefore, it is significant to study the approximate methods for estimating the model parameters in good fatigue crack growth models.In our previous work, an extended McEvily model for fatigue crack growth analysis of metal structures was proposed. This model shows promising capability to explain various fatigue phenomena. In order for the convenient use in estimating fatigue life of marine structures, the concepts and approximations of the model parameters are comprehensively studied in this paper. Based on that, more reasonable assumptions and empirical formulas to determine the parameters are recommended. The approximate method is validated by experimental results of several types of materials, which could be successfully used in simple and effective engineering analysis for marine structures.