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耐压壳疲劳-蠕变损伤与寿命预测方法研究
| 论文题名： | 耐压壳疲劳-蠕变损伤与寿命预测方法研究 |
| 关键词： | 载人深潜器;耐压壳结构;疲劳损伤;蠕变损伤;寿命预测 |
| 摘要： | 耐压壳结构作为载人深潜器的关键组成部分，其性能的好坏直接影响深潜器结构作业的安全可靠性。精准预判耐压壳结构在循环作业过程中的损伤演化历程，对其进行全寿命预测，对推动中国深海装备体系的发展，提升中国深海资源开发利用和深海战略保障具有重要意义，是实现中国海洋强国战略目标的必要途径之一。深潜器在服役期间不可避免地受到超高静水压力和超大幅值交变载荷的共同作用，研究证明深海作业过程中产生的蠕变损伤与上浮下潜过程中产生的疲劳损伤具有相互促进作用，单纯的疲劳寿命预测和基于线性累积损伤方法来研究疲劳损伤和蠕变损伤的问题会大大高估结构的实际寿命，因此精准预测耐压壳结构的疲劳-蠕变损伤和寿命具有重要意义。 目前对于深潜装备疲劳-蠕变寿命的研究主要基于断裂力学的方法。利用断裂力学的方法虽能够较好地模拟裂纹扩展过程和进行寿命预测，但适用条件是结构中已有宏观裂纹产生。在实际工程应用中忽略了裂纹萌生寿命，会使结果偏于保守。针对以上不足，本文基于连续损伤理论建立了适用钛合金室温环境下的疲劳-蠕变非线性耦合损伤模型，该模型能够分析结构材料内部损伤缺陷不断累积至裂纹萌生到裂纹扩展的全寿命。 本文首先基于连续损伤力学理论和热力学第二定律，在经典的Lemaitre低周疲劳损伤演化模型的基础上，通过引入裂纹闭合系数考虑拉伸和压缩应力的差异性，推导得到能够考虑裂纹闭合效应的低周疲劳损伤模型；采用延性耗竭模型，通过蠕变应变和多轴蠕变失效应变来计算室温环境下的蠕变损伤；在此基础上，推导得到适用于室温环境下的疲劳-蠕变耦合损伤模型，该模型具有严格的数学推导，且适用于有限元计算。接着，对ABAQUS进行二次开发，将疲劳-蠕变耦合损伤模型编写为子程序，并采用周期跳跃技术提高计算效率，实现了室温疲劳-蠕变损伤累积的数值模拟。之后开展了室温环境下钛合金CT试件的保疲劳-蠕变裂纹扩展试验，通过对比数值模拟结果与试验结果，验证了本文所建立的损伤模型和数值方法的准确性。最后，为说明该方法的适用性，以钛合金多球耐压壳为例进行疲劳-蠕变耦合损伤分析并预测了裂纹萌生寿命。结果表明，多球交接耐压壳结构在连接通道内测存在显著的疲劳-蠕变损伤，且损伤速率随着作业水深的加大和保载时间的增长而加大，加速结构的失效。当2000米水深，保载时间为8小时（国内单次下潜最大作业时间），Q点处的疲劳-蠕变裂纹萌生寿命为6948次。 |
| 作者： | 李盈盈 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 刘刚;李红霞 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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