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原文传递钛合金室温保载-疲劳寿命预报方法研究

论文题名：	钛合金室温保载-疲劳寿命预报方法研究
关键词：	潜水器;钛合金材料;保载-疲劳寿命;裂纹扩展速率;预报方法
摘要：	目前，世界上很多国家都将海洋开发定位成重要战略目标，关于海洋资源的争夺也越来越激烈。海洋领域的竞争说到底就是高科技的竞争，而海洋科技竞争的焦点是深海高新技术。我国政府已经清楚认识到海洋对我国可持续发展的重要性，适时提出了中长期海洋发展规划。而深海载人潜水器作为海洋科学考察的重要工具，在深海地质研究、资源调查、海洋生物基因研究等方面拥有不可替代的作用。海洋环境具有较大的复杂性和多变性，海洋结构物在服役期间承受着周期性的波动载荷作用，疲劳破坏成为海洋结构服役期间主要破坏模式之一。目前，采用疲劳循环载荷对深海载人潜水器耐压壳结构的疲劳寿命进行计算，但实际工作过程中潜水器耐压壳结构承受下潜和上升的循环载荷之外，她还承受着下潜到工作深度时的保载载荷。因此，耐压壳结构的疲劳实际上是保载-疲劳问题。大量的试验都证明保载-疲劳下结构寿命要明显低于疲劳条件下的寿命。另外，从理论上来说，目前潜水器规范中对于耐压壳结构的疲劳均假定为低周疲劳，还没有考虑保载的影响。因此，开展海洋结构物保载-疲劳裂纹扩展速率预报方法的研究是具有重要工程实际意义和理论价值。　　本文主要目的是提出一种针对海洋结构物保载-疲劳裂纹扩展行为的预报方法，并应用该方法对海洋结构物典型材料的保载-疲劳寿命和裂纹扩展速率进行预报研究。基于这一目的，本文主要研究工作有如下几个方面：　　（1）对国内外海洋结构疲劳强度的研究方法、疲劳小裂纹的研究和保载-疲劳寿命预报方法等相关领域进行了综述。　　（2）系统总结了疲劳小裂纹效应的概念、特点和机理，分别介绍了预报小裂纹效应的疲劳裂纹扩展预报模型，并提出了考虑小裂纹效应的修正模型。在疲劳寿命预报统一方法和Chapetti模型基础上，详细阐述了本文提出的考虑小裂纹效应的修正模型。　　（3）基于现有钛合金材料的疲劳小裂纹寿命和裂纹扩展速率的试验数据，确定应用考虑小裂纹效应的修正模型对预报海洋结构物疲劳扩展行为预报时的模型参数。在钛合金材料疲劳小裂纹试验数据的基础上，通过非线性最小平方拟合的方法得到了钛合金材料的考虑小裂纹效应修正模型中的参数，为后续该模型对钛合金材料疲劳裂纹扩展行为的预报研究提供了参数依据。　　（4）应用考虑小裂纹效应的修正模型对钛合金材料的疲劳小裂纹扩展行为进行预报研究，从而验证该模型的可靠性。基于前面确定参数的考虑小裂纹效应修正模型，对钛合金材料在不同载荷比、不同应力水平和不同微结构下疲劳小裂纹扩展速率和寿命进行了预报。　　（5）根据潜水器耐压壳结构在服役期间承受周期性循环和载荷峰值保载的共同作用，本文提出了保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型，该预报模型中的两项分别为：与循环载荷相关的疲劳项，也就是考虑小裂纹效应的修正模型；与时间和应力水平相关的保载项。并对保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型中各个参数的灵敏度进行了分析。　　（6）应用保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型对不同钛合金材料保载-疲劳扩展行为进行了预报研究。结合已有三种钛合金材料的保载-疲劳试验数据，在确定了预报模型参数之后，对这三种钛合金材料分别进行了不同保载时间、不同微结构、不同含氢量下保载-疲劳寿命和裂纹扩展速率的预报研究，对该模型在解释保载时间、应力水平效应时的适用性进行了验证。　　（7）在保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型的基础上，对海洋结构物用钛合金TC4和Ti80的疲劳和保载-疲劳寿命和裂纹扩展速率进行了预报研究。应用该模型对钛合金材料光滑试件的疲劳、保载-疲劳寿命和CT试件的疲劳裂纹扩展速率进行预报研究；对不同微结构和不同保载时间下钛合金TC4保载-疲劳裂纹扩展行为进行了预报研究；并将预报结果与相应的试验结果进行了对比，从而验证了该模型可靠性；为了直观观察到裂纹前缘的形状、应力分布和扩展路径，利用三维裂纹扩展分析软件ZenCrack数值模拟了潜水器用钛合金材料的裂纹扩展行为。　　（8）阐述了研究载荷次序效应对疲劳裂纹扩展速率影响的意义，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预报模型。在本文提出的考虑载荷次序效应的疲劳裂纹扩展速率的预报模型的基础上，对几种材料在单峰过载、多峰过载、单峰低载、保载、过载与保载共同作用下疲劳裂纹扩展速率行为进行了预报研究，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预报模型在预报载荷次序效应时的适用性进行了验证。　　本文的主要创新点为：　　（1）基于疲劳寿命预报统一方法（UFLP），首次给出了适用于小裂纹扩展行为的疲劳寿命预报方法；　　（2）基于相关保载-疲劳试验研究，本文提出了一个能够预报保载-疲劳的裂纹扩展速率的新模型；　　（3）通过对载荷次序对海洋结构疲劳裂纹扩展速率影响的研究，提出了考虑过载和保载时间共同作用下疲劳裂纹扩展速率预报的新模型。　　通过本论文的研究，得到主要结论如下：　　（1）通过对文献中疲劳小裂纹相关试验数据的研究发现，当应力强度因子范围低于疲劳长裂纹扩展门槛值时，疲劳小裂纹还能够继续扩展，并且在相同应力强度因子范围下疲劳小裂纹扩展速率高于长裂纹扩展速率。因此，本文提出了考虑小裂纹效应的修正模型，在该模型中考虑到：对于疲劳小裂纹，裂纹尖端塑性区域尺寸相对于小裂纹长度是不可忽略；随着裂纹尺寸的降低，控制小裂纹扩展行为的是材料疲劳极限，而不是控制长裂纹扩展的应力强度因子门槛值，因此小裂纹的应力强度因子门槛值是随裂纹长度变化的。　　（2）应用考虑小裂纹效应的修正模型对钛合金材料光滑试件的疲劳寿命和裂纹扩展速率进行了预报研究，并结合钛合金材料相应疲劳小裂纹的试验数据对不同微结构、不同载荷比R、不同循环应力水平下该模型对小裂纹扩展行为的预报能力进行了验证，显示出了该模型潜在的工程应用价值。　　（3）通过对保载-疲劳裂纹扩展行为试验数据的研究发现，保载-疲劳裂纹扩展速率要明显高于疲劳裂纹扩展速率。因此，对深海载人潜水器耐压壳结构服役期间疲劳寿命进行预报时，如果只用疲劳循环载荷来进行耐压壳结构寿命预报是偏危险的，因为潜水器耐压壳结构在实际工作中除了承受疲劳循环载荷之外，还承受在工作水深下的保载作用，即耐压壳结构寿命预报实际是保载-疲劳寿命问题。因此，本文提出了保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型。　　（4）应用保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型对几种钛合金材料的保载-疲劳裂纹扩展行为进行预报时，通过与相应试验数据进行比较发现：考虑保载时各个材料的保载-疲劳裂纹扩展速率要高于纯疲劳裂纹扩展速率；随着保载时间的增加，保载-疲劳裂纹扩展速率增加，即试件寿命降低；保载-疲劳循环载荷中的应力峰值对试件寿命具有较大的影响，当循环应力峰值低于某一值时，保载时间对保载-疲劳寿命的影响很小，当循环应力峰值较高时，保载-疲劳寿命曲线明显低于疲劳寿命曲线；基于保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型，这几种钛合金材料保载-疲劳裂纹扩展行为的预报结果与相应试验值均吻合较好，从而证明该预报模型具有潜在工程应用价值。　　（5）基于保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型，对潜水器耐压壳用钛合金TC4和Ti80在不同载荷比和保载时间下疲劳、保载疲劳的寿命和裂纹扩展速率进行了预报研究。预报结果与试验结果比较发现：该模型对这两种钛合金材料疲劳和保载-疲劳裂纹扩展行为具有较好的预报能力，因此，说明该模型适用于深海载人潜水器钛合金耐压壳在服役期间的寿命预报研究。　　（6）本文提出的考虑载荷次序效应的疲劳裂纹扩展预报模型能有效地考虑单峰过载、多峰过载及单峰低载效应，并能正确地预报保载、过载和保载共同作用下材料疲劳裂纹扩展速率的过载迟滞效应，显示出其潜在的工程应用价值。
作者：	王珂
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	崔维成
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文