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残余应力对海洋耐压结构承载极限影响研究
| 论文题名： | 残余应力对海洋耐压结构承载极限影响研究 |
| 关键词： | 潜水器;耐压结构;承载极限;残余应力 |
| 摘要： | 潜水器是探索深海资源的重要工具，深海工作环境对潜水器结构有很高的耐压要求，承压能力的大小决定所能探索海洋的范围，提高结构承压极限对国家海洋资源的开发具有重要意义。为了最大化提高潜水器的承压极限，材料方面可以选用强度最高的钛合金，结构方面可以选用承压最好的球型结构，目前已无法从这两方面来提高承载极限。本文以厚壁圆筒结构为研究对象，提出一种通过利用残余应力分布来提高结构的耐压性能的方法，并通过数值模拟，分析有益残余应力的形成和这种分布对结构承载极限的影响。 分析圆筒结构特点，比较厚壁圆筒的膨胀方案和回弹方法，选择通过对内壁加压来进行膨胀的方案和显隐式联合分析的回弹方法，确定厚壁圆筒二维模型的数值模拟过程，并在筒内壁形成环向残余拉应力，在外壁形成环向残余压应力，这种应力分布为有益的残余应力分布。建立不同数值模型，分别研究结构尺寸、材料属性、膨胀率对该残余应力分布形成的影响，得出不同因素对残余应力分布的影响趋势和如何控制有益残余应力的形成。从应力应变角度认为，内外壁回弹速度不同是形成这种有益残余应力分布的本质原因。 针对三维厚壁圆筒结构形式，分析了理想状态、初始几何缺陷、非均布残余应力、初始缺陷和非均布残余应力复合状态下厚壁圆筒的承载极限，并对比分析结果，得到三种初始缺陷对结构承载极限的影响。初始几何缺陷越大，厚壁圆筒的承载能力降低的程度越大，初始应力缺陷取决于应力分布和应力大小。对比分析了三种均布残余应力状态下结构的承载极限，内壁的环向残余拉应力值越大，结构承载极限越高，简述了整个过程的应力发展历程。分析了结构的圆度在膨胀前后的变化，指出膨胀处理有利于减小结构的初始几何缺陷。 基于强化后厚壁圆筒模型承载极限的基础上，选择一种测试外压容器承载极限的结构形式。根据现有的制造条件，参考国内外高压环境模拟结构的形式，选择一种新的结构形式，这种结构形式体积小，便于制造和操作。确定了结构的各项指标，利用有限元方法校核该结构的强度，其压力承载性能明显优于球型结构。完成了结构的密封系统和疲劳校核，结构的使用寿命完全满足使用要求。 |
| 作者： | 张庆勇 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 初冠南 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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