基于三维理论的TC4ELI钛合金疲劳裂纹扩展研究

TC4ELI钛合金以其优异的力学和抗腐蚀性能广泛应用于深海耐压结构。在深海交变载荷作用下,钛合金结构的初始微缺陷易发生疲劳扩展,进而会导致灾难性破坏。因此,耐压结构逐渐采用损伤容限设计理念来保证安全。然而,传统的二维损伤容限设计理念过于保守,不利于三维深海耐压结构的轻量化设计。本文对TC4ELI钛合金的疲劳裂纹扩展进行了系统研究,发现在二维理论框架内材料的裂纹扩展速率依赖于试件厚度和应力比。而基于三维断裂理论,同种材料裂纹扩展速率与厚度和应力比无关。在此基础上,将得到的材料常数用于裂纹扩展模拟,实现了不同试件厚度和载荷下的疲劳寿命与裂纹尺寸的准确预测。     

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。     

新型钛合金材料疲劳寿命试验及预报方法研究

为保障我国深海载人潜水器耐压壳结构安全性,本文针对耐压壳用新型钛合金的疲劳特性开展了不同应力水平下疲劳裂纹扩展门槛值试验以及疲劳寿命试验研究;获得了新型钛合金材料在载荷比R=0.1下的门槛值以及不同应力水平下该材料的疲劳寿命值;并基于断裂力学方法,对新型钛合金材料疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究,将预报结果与相应试验结果进行了对比,从而验证预报方法的可行性和可靠性.     

新型钛合金焊接结构疲劳裂纹扩展速率试验研究

为了研究尺度效应及热处理工艺对新型钛合金材料疲劳性能的影响,本文对新型钛合金母材及焊接结构在不同尺度效应和热处理工艺下的力学性能和疲劳性能开展试验,分析尺度效应和热处理工艺对新型钛合金材料疲劳性能的影响规律。研究结果表明,仅经过低温热处理的新型钛合金焊接结构疲劳寿命要超过经过高温-低温热处理后的焊接接头近1.53倍;尺度效应对焊接结构的力学性能影响较大,对母材影响较小;随着尺度增大新型钛合金的裂纹扩展寿命增大,但裂纹扩展速率并无明显变化。     

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。     

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。     

耐压船体结构典型接点疲劳寿命评估

潜艇在潜浮过程中,由于静水外压引起的工作应力与焊接残余应力叠加,形成拉压循环应力,导致耐压船体的局部结构可能出现低周疲劳裂纹.一般情况下,高强度钢在抗拉强度提高的同时往往伴随着材料塑性储备和断裂韧性的下降,因此分析高强度钢潜艇结构的低周疲劳寿命非常重要.本文基于断裂力学和Paris公式建立了潜艇耐压结构低周疲劳寿命的工程估算方法,根据裂纹无损检测的概率统计和含裂纹圆柱壳极限应力分析,给出了初始裂纹和裂纹临界状态的建议值.应用本文的简化方法分析了某潜艇结构和锥柱结合壳模型的低周疲劳寿命,锥柱结合壳模型的数值算例表明本文的计算结果与试验测试结果相吻合.     

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。     

钛合金焊接接头疲劳裂纹声发射特征研究

钛合金以其良好的性能得到工业界广泛的应用,但是钛合金建造和焊接工艺极难控制,容易产生焊接缺陷.本文利用声发射技术对不同厚度钛合金焊接接头拉伸和疲劳损伤过程进行动态监测,获得了钛合金焊接接头焊缝从裂纹萌生、扩展、直至断裂过程的声发射事件数量、幅度、危险程度分布特性,提出了钛合金焊接接头疲劳损伤声发射阶段性理论,为声发射技术应用于钛合金结构服役过程的全寿命安全监测提供了理论依据.     

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。     

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。     

弧形管疲劳寿命预测研究

弧形管是一种常用的管路连接件,在服役时长期受到大位移疲劳载荷的作用。传统工程实践中针对挠性接管处于疲劳载荷在可靠性检验多采用抽样试验方法,该方法存在试验成本高,置信度差的缺点,且未从失效机理上对弧形管疲劳失效进行有效分析。本文将汽车行业橡胶件疲劳寿命预测常用的裂纹萌生法应用于弧形管。通过单轴疲劳拉伸试验,建立基于各种疲劳损伤参数的寿命预测模型,结合弧形管三维实体有限元仿真模型和寿命预测模型,对拉压工况下的疲劳寿命进行预测并通过加速试验进行了验证。该论文研究结果可用于指导弧形管疲劳可靠性设计。     

考虑焊接残余应力释放的结构疲劳寿命分析方法研究

焊接残余应力对于焊接结构的疲劳寿命产生很显著的影响,同时循环载荷作用下焊接残余应力会出现释放现象,因此有必要对焊接件疲劳寿命预测方法进行研究.基于改进的McEvily疲劳裂纹扩展速率模型,同时结合课题组研究得到的AH36钢对接焊平板残余应力释放计算公式,提出考虑焊接残余应力释放的结构物疲劳寿命计算方法.随后,以潜艇锥柱耐压壳的疲劳为例,详细阐述了本文提出的疲劳寿命分析方法的计算流程.考虑耐压壳焊接顺序影响,分析了含半椭圆表面裂纹的锥柱耐压壳疲劳寿命.对比文献的试验结果,表明焊接结构疲劳寿命计算公式有较好的预测效果,可以用于评估带表面裂纹焊接件在拉伸循环载荷作用下的疲劳寿命.     

基于改进McEvily模型的结构压-压疲劳寿命预测方法

潜水器在下潜过程中其耐压结构大部分区域处于压缩应力状态,所受压力随潜深的改变而改变,将有可能导致耐压球壳发生疲劳破坏,而压-压载荷下的疲劳问题与常规疲劳分析有着很大的不同,因此研究结构的压-压疲劳寿命具有重要意义。本文基于断裂力学理论,采用改进的McEvily裂纹扩展速率模型,预测压缩循环载荷下的深海结构物疲劳寿命。采用有限元方法建立结构模型,研究了裂纹尖端区域有限元单元尺寸的影响,采用多载荷步分析结合节点释放技术计算得到了压缩循环载荷下沿着裂纹扩展平面的残余拉应力和应力强度因子,结合改进的McEvily模型计算得到裂纹扩展寿命曲线。最后,以承受单向循环压缩载荷的双边裂纹板为例,阐述了本文的计算方法,并将计算结果与试验结果进行对比,结果表明本文的压缩疲劳寿命分析方法可行、有效,可为相关承受循环压缩载荷下的结构疲劳寿命评估提供参考。     

Ti-6Al-4V疲劳小裂纹扩展速率研究

针对金属材料疲劳小裂纹扩展特点,在改进疲劳寿命预报统一方法的基础上对裂纹长度及小裂纹门槛值进行了进一步修正,提出了金属材料疲劳裂纹扩展预报修正模型,着重对钛合金Ti-6Al-4V的疲劳小裂纹扩展行为进行了预报研究,对比参考文献中的试验结果,验证了预报结果的可靠性.研究结果表明,该修正模型对Ti-6Al-4V疲劳小裂纹扩展速率具有较好的预报能力.     

HTS-A钢对接接头的双轴疲劳试验研究

开展了HTS-A钢对接焊接试件的双轴疲劳试验.通过一组试件在纵向受弯和垂向受压循环载荷作用下的试验研究,得到了不同双轴载荷比情况下的试件断口形式及疲劳寿命.根据试验过程中记录的裂纹扩展数据,回归了不同载荷比情况下的Paris公式,从而推算裂纹扩展寿命.进而通过总寿命减去裂纹扩展寿命得到裂纹的萌生寿命.结果表明,垂向循环压力载荷缩短了试件的疲劳寿命,且对萌生寿命的影响大于对扩展寿命的影响.     

圆锥壳大型开孔围栏焊缝裂纹疲劳寿命分析北大核心CSCD

[目的]旨在研究受均布压载荷的圆锥壳大型开孔围栏焊缝结构中的疲劳寿命问题。[方法]以某水下耐压结构模型作为研究对象,构建有限元模型,使用结构应变方法获取该结构的疲劳危险点并计算该点处疲劳寿命。将计算结果与该水下耐压结构模型的试验数据进行对比,验证结构应变方法在此类结构疲劳寿命评估中的准确性。[结果]结果表明,结构应力最大部位出现在围栏焊缝靠近模型大端一侧,与试验中疲劳裂纹出现位置一致。结构应变方法计算得到的疲劳寿命与实际试验结果基本吻合,实际试验中的疲劳数据落在主e-N曲线的一条窄带上;围栏焊缝危险点处正向结构应力远大于切向结构应力。[结论]结构应变方法可以较好地解释圆锥壳大型开孔围栏焊缝结构的疲劳寿命问题,在此类载荷条件下,危险点处初始裂纹应当为一型。     

新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展特性研究

本文针对海洋结构物用的一种新型钛合金材料，开展疲劳裂纹扩展速率和复杂载荷谱下保载-疲劳裂纹扩展速率试验研究，综合探讨上峰值保载时间和下峰值保载时间对该新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展行为的影响规律；基于断裂力学理论，建立新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型，采用试验方法验证该模型对新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展行为的预报能力。研究结果表明：新型钛合金材料疲劳裂纹扩展行为对上、下峰值保载时间较敏感，随着上峰值和下峰值保载时间的增加，裂纹扩展速率增加，但是裂纹扩展速率增加的趋势逐渐减小，即上、下保载时间对新型钛合金材料裂纹扩展速率的影响具有一定的饱和值。提出了新型钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型，对复杂载荷谱下的保载-疲劳裂纹扩展速率进行了预报研究，预报结果与试验结果吻合较好。     

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。     

考虑塑性损伤的船体裂纹板低周疲劳裂纹扩展行为研究

船舶结构的扩展断裂失效往往是低周疲劳破坏和累积递增塑性破坏耦合作用的结果,疲劳裂纹的扩展就是裂纹尖端前缘材料刚度不断降低延展性不断耗失而逐渐分离的结果.基于弹塑性断裂力学理论,文章提出了考虑累积塑性损伤的低周疲劳裂纹扩展速率预测模型.通过低周疲劳裂纹扩展试验拟合出模型相关材料参数并验证预测模型的合理性.通过系列有限元计算对平均应力及应力幅值的影响因素进行了数值分析.该模型的计算结果与已有实验结果基本吻合;对合理预估船体裂纹板的常幅低周疲劳裂纹扩展寿命有重要意义.