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基于等效结构应力的深海耐压结构疲劳寿命评估
| 论文题名： | 基于等效结构应力的深海耐压结构疲劳寿命评估 |
| 关键词： | 深潜器;深海耐压结构;耐压球壳;等效结构应力法;主S-N曲线;焊缝宽度 |
| 摘要： | 深潜器是深海开发的重要装备，其关键组成部分是耐压壳，耐压壳在海水中承受巨大压力，起着保护舱内人员与设备的作用。深潜器多次下潜后，球壳会出现疲劳破坏现象，尤其是耐压壳的焊缝区域，一直是结构疲劳寿命中的短板。 等效结构应力法是用来评估焊接接头疲劳寿命的一种方法，其对应的S-N曲线可以用一条主S-N曲线代替，使用方便且结果更为精确。耐压壳上包含多个焊缝，焊缝的寿命决定了整个结构的寿命，因此本文利用等效结构应力法对耐压壳的疲劳寿命进行了评估。 首先对等效结构应力法的理论进行了介绍，对比了十字接头角焊缝在不同网格尺寸下的热点应力与结构应力结果，验证了结构应力的网格不敏感性，这是本文选择结构应力法进行疲劳寿命计算的重要原因；然后对钛合金TC4的焊接特性进行了分析，现役的耐压球壳大多采用钛合金材料，焊后材料的尺寸与材料属性均有变化，对焊后的钛合金板进行金相实验、硬度实验、拉伸试验，得到TC4焊缝的材料属性，在实验的基础上结合焊接仿真，得到钛合金TC4厚板焊缝尺寸对应焊板厚度的数据拟合曲线，通过拟合曲线进而获得球壳上的焊缝尺寸；在得到了钛合金焊后的几何与力学数据，将其应用在有限元计算的模型中，使其结果更加接近实际，在计算之前使用理论结果对有限元结果进行对比，验证了有限元方法的可行性，然后对球壳进行了不同工况的应力分析；在有限元结果的基础上，结合某7000米级的载人潜水器的下潜数据，使用等效结构应力法对球壳的疲劳情况，进行了系统的分析，包括同载荷下不同部位焊缝的横向对比，以及不同工况下高应力区域疲劳的纵向分析，最后给出疲劳寿命的计算结果。 本文以等效结构应力为参量计算了耐压壳上不同位置焊缝的疲劳寿命，为耐压壳服役过程中的维修更换工作给出了指导意见；在研究过程中提出了焊缝宽度与焊板厚度的无因次拟合曲线，为大厚度钛合金TC4的焊缝宽度提供了参考；同时，丰富了结构应力法在水下耐压装备疲劳分析上的应用，为后续深海耐压结构的疲劳寿命评估提供了参考。 |
| 作者： | 郭启博 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 于昌利 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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