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。     

球柱结合壳焊趾表面裂纹坐标变换有限元建模方法及应力强度因子计算

深潜器的上浮和下沉会使得耐压壳体舱口球柱连接位置存在随时间变化的交变应力,这有可能引起疲劳破坏,运用裂纹扩展理论进行疲劳预报时需要解决舱口球柱连接位置的应力强度因子计算问题。推荐一种坐标变换建模法,能够解决球柱结合壳焊趾表面裂纹有限元建模的问题;通过圆管、T型相贯管节点表面裂纹的计算,验证所推荐方法的精度;以4 500 m级载人深潜器为研究对象,计算一定潜深时耐压壳舱口焊趾表面裂纹的应力强度因子。所推荐的方法同样适用于圆柱体、圆锥体、球体或其组合体型式的耐压结构典型节点三维裂纹应力强度因子计算。     

深潜器多球交接耐压壳室温蠕变-疲劳特性研究

为了揭示钛合金深潜器多球交接耐压壳在实际作业过程中的蠕变-疲劳特性，通过定义的比例因子建立考虑蠕变损伤演化速率拉压不对称时的室温蠕变-疲劳损伤模型，通过对ABAQUS软件进行二次开发，基于蠕变-疲劳损伤模型和自动周期跳跃算法，建立了适用于深潜器多球交接耐压壳结构的蠕变-疲劳损伤数值模拟方法。数值分析结果显示，多球交接耐压壳结构的热点位置在承受拉伸载荷时，蠕变损伤对结构的蠕变-疲劳寿命影响显著，而承受压缩载荷时几乎不产生蠕变损伤；当作业水深增加时，蠕变-疲劳裂纹萌生寿命的减少速度明显高于疲劳裂纹萌生寿命的减少速度；当处于相同水深时，保载时间增加会使结构的蠕变-疲劳裂纹萌生寿命减少，但耐压壳的实际可作业时间大幅提升。研究结果可为多球交接耐压壳蠕变-疲劳强度的计算提供参考。     

大深度载人潜水器载人耐压球壳的疲劳载荷谱分析

大深度载人潜水器的载人耐压球壳是载人潜水器上的最关键部件,它不仅为载人潜水器驾驶员和科学家提供了深海作业的生存空间,而且也为众多的非耐压仪器设备提供了工作环境.载人潜水器每执行一次下潜任务,耐压球壳都要承受一次海水压力作用,随着使用次数的增加.有可能会发生载人耐压球壳的低周疲劳破坏.为了确保载人潜水器载人球壳的安全性,在设计阶段必须进行载人耐压球壳的低周疲劳寿命分析.作为载人球壳低周疲劳寿命分析的基础,必须首先确定载人耐压球壳的疲劳载荷谱.本文通过对美国Alvin深海载人潜水器的使用统计资料的深入分析,提出了可以用GUMBEL分布来描述大深度载人耐压球壳疲劳载荷谱.根据设计任务书中规定的总的下潜次数要求,最后给出了我国目前正在研制的7000米载人潜水器耐压球壳的疲劳载荷谱.     

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.     

载人深潜器钛合金耐压球壳极限强度可靠性分析

以研制中的全国产化4 500 m级载人深潜器为背景,采用非线性有限元和弧长法计算钛合金球壳极限强度,通过有限元计算得到考虑多参数影响的球壳极限强度拟合公式。基于响应面法对完整球壳以及开孔球壳进行可靠性计算,分析随机变量参数敏感性,讨论球壳厚度、内半径、初始缺陷幅值及开孔连接处角度等不同参数对钛合金耐压球壳可靠性指标的影响。     

大深度载人潜水器疲劳寿命有限元分析

载人潜水器随着使用次数的增加,将有可能导致低周疲劳破坏。为了确保载人潜水器载人球壳的安全性,必须进行载人球壳的低周疲劳寿命分析。潜水器在一些特殊的局部区域是受拉伸应力影响的,开孔处结构的特点和深水压力共同作用就产生了较大的拉应力,因此这些较大的拉伸应力在此部位易引起结构的疲劳裂纹,并且缩短使用寿命。本文首先介绍了基于有限元疲劳寿命的理论基础和分析方法,然后建立载人潜水器有限元分析模型,按极限载荷和载荷谱分别计算出的疲劳寿命,不但可靠度高,而且可以方便地修改计算参数和进行结构优化,提高了计算的准确性和运算效率,极大程度地降低了人工费用。     

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。     

深潜器载人球壳规范设计公式的比较

文章首先简要地介绍了几个船级社现有的关于深潜器载人球壳的规范设计公式,这些公式背后的理论基础要么是经典的屈服破坏或屈曲破坏.然后,应用这些规范公式对国际上现有的几个载人潜水器耐压球壳的设计厚度进行了计算,在计算中统一了输入的设计参数并将这些计算结果进行了比较.比较表明,不同船级社设计公式给出的球壳厚度存在很大差别,绝大多数设计规范计算出的厚度都超过潜水器的实际壳厚.因此,作者认为非常有必要对各船级社的规范设计公式进行更新,最好能像民船共同规范一样给出统一的球壳设计公式.最后,文中对如何建立统一公式的研究过程提出了建议.     

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。     

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.     

大深度载人潜水器极限承载能力非线性有限元分析方法研究

大深度载人潜水器载人舱的极限承载能力是载人潜水器安全性的保障,在设计制造中非常关键。本文基于非线性有限元方法,对大深度载人潜水器球形载人舱极限承载能力进行了分析计算,提出了大深度载人潜水器球形载人舱极限承载能力非线性有限元计算中的影响因素;并与极限承载能力设计新公式计算结果进行对比,验证了本文非线性有限元分析方法和设计新公式的广泛适用性,为大深度载人潜水器建造规范和检验指南的制定奠定了基础。     

考虑小裂纹和保载时间效应的疲劳可靠性分析

大深度载人潜水器的载人舱材质是高强度金属,不可避免地会受到疲劳损害现象的挑战。实际的载人舱结构中存在着由外部因素和内部因素引起的不确定性,其疲劳寿命将受到这些不确定性的影响。在前期的研究中,课题组基于统一的疲劳裂纹扩展率模型进行了疲劳可靠性分析方法的探讨,可作为进一步进行载人舱疲劳寿命预报的基础。但是,该模型无法反映小裂纹和保载时间的影响,而这正是载人舱结构和所受载荷的重要特征,应进行深入研究。所以,课题组提出了一个小裂纹扩展率模型和两个反映保载时间效应的裂纹扩展率模型,以更好地解释载人舱用钛合金金属的蠕变疲劳特性。文中基于这三个模型,结合不同的理论方法,进行了疲劳可靠性分析,考察了可靠度分析方法之间的不同、输入参数以及不同的裂纹扩展理论模型对结构的疲劳可靠性的影响。     

深海载人潜水器载体框架结构设计与强度分析

载体框架是用于安装固定载人舱、蓄电池、可弃压载、可调压载水舱、高压气罐和浮力块等深海载人潜水器设备的空间桁架结构,也是深海载人潜水器布放、回收和甲板系固的主要承力结构。因此,载体框架的设计应便于设备、仪器、浮力块和轻外壳的安装、拆卸与维护;并有足够的强度和刚度,以保证载人潜水器的布放和回收,以及在母船甲板上系固。在上述条件下,还应使其重量尽可能小。总结和介绍了我国正在建造的深海载人潜水器载体框架的材料选择、计算工况及设计载荷与许用应力的确定、结构型式的确定、构件的连接方式、节点的优化处理,以及结构强度的分析方法,给出了载体框架在单点回收和甲板系固两种工况下的强度分析结果,为今后研制同类型产品提供参考。     

载人潜水器耐压球壳的多目标优化设计

采用基于响应面(RSM)近似模型和遗传算法(GA)对某深海载人潜水器耐压球壳进行多目标优化设计。首先建立深海载人潜水器耐压球壳的结构优化模型,通过试验设计(DOE)获得设计目标的响应特性,拟合得到响应面近似模型,最后采用Pareto遗传算法对响应面模型进行多目标优化求解,得到潜水器耐压球壳的优化设计方案。     

深海载人潜水器球形耐压壳上多裂纹的相互作用及其影响（英文）

This study investigates the interaction and influence of surface cracks on the spherical pressure hull of a deep-sea manned submersible.The finite element model of the spherical hull is established,and a semi-elliptical surface crack is inserted in the welding toe of the spherical hull as the main crack.Considering the combined effect of external uniform pressure and welding residual stress at the weld toe,the stress intensity factor(SIF) is obtained based on the M-integral method.Inserting disturbing cracks at different positions on the spherical hull surface,the interaction and influence between multi-cracks are revealed by numerical calculation.The results show that the existence of the disturbing crack has a great influence on the stress intensity factor of the main crack,and the influence is different with the different location of disturbing crack.The study of the interaction of multiple cracks under different interference factors and the influence of disturbing cracks on the main crack can provide some reference for future engineering applications.     

疲劳裂纹扩展模型中表征裂纹闭合水平参数的确定

借助7075-T 6铝合金、6013铝合金以及0.45w t%碳钢的疲劳试验数据,结合上述材料的力学性能参数,通过非线性最小平方拟合方法,研究了表征裂纹闭合水平参数k对疲劳裂纹扩展率的影响。研究结果表明,对于宏观裂纹范围内的疲劳裂纹扩展,参数k只要大于某个值就对疲劳裂纹扩展率无影响;而对于小裂纹阶段的疲劳裂纹扩展,参数k对疲劳裂纹扩展率的影响较明显,因此参数k的大小主要取决于小裂纹扩展数据。依据0.45w t%碳钢疲劳试验数据,相应参数k的建议值为6 000m-1。