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焊接与退火残余应力对深潜器耐压球壳疲劳寿命的影响
| 论文题名： | 焊接与退火残余应力对深潜器耐压球壳疲劳寿命的影响 |
| 关键词： | 耐压球壳;残余应力;数值模拟;退火工艺;疲劳寿命 |
| 摘要： | 耐压球壳作为深海载人潜水器的重要组成部分，起着保障科研人员、设备安全以及承载海水压力的作用，其性能直接影响了深潜器整体的结构安全性。耐压球壳是复杂的焊接结构，焊缝区域存在较大的残余应力，在服役过程中，焊接残余应力与深海高压强耦合作用下，极易导致裂纹萌生。因此，评估耐压球壳焊接残余应力分布规律，优化退火工艺参数以消减残余应力，对提高耐压球壳疲劳寿命具有工程指导意义。 为了保证焊接残余应力评估模型的准确性，本文采用锥形、双椭球组合热源模型，对TC4钛合金对接板电子束焊接过程进行模拟，结合实验数据对熔池样貌和残余应力分布曲线进行了对比，结果表明，该焊接模型可以准确模拟电子束焊接过程，且焊接残余应力计算结果较为准确。 本文结合TC4钛合金耐压球壳焊接和去应力退火过程实际工况，对TC4钛合金耐压球壳焊接过程和去应力退火过程开展数值模拟，分析焊接过程中温度场变化规律及其对应力场分布的影响，探寻耐压球壳表面各焊缝焊接与退火后的残余应力分布规律，对比不同退火温度、升温速率、保温时间对焊接残余应力的消减效果，结合退火过程应变的演化规律探讨退火消减残余应力的机理。研究结果表明：焊接残余拉应力与压应力在耐压球壳表面沿焊缝交替分布，出入舱口焊缝处残余拉应力较大，其值约1100MPa，耐压球壳需采取应力消除措施；经过500℃保温2h的退火处理，最大残余拉应力下降了49.5%，退火温度对于残余应力的消减效果影响较大，升温速率和保温时间对于残余应力的消减效果影响不明显；残余应力发生消减主要在退火工艺中的两个阶段，在升温阶段材料屈服强度快速下降、弹性变形变化缓慢导致弹性应变转化为塑性应变，在保温阶段蠕变效应导致弹性应变转化为蠕变应变，弹性应变的减小致使残余应力得到消减。 基于线性累积损伤理论，将耐压球壳退火后的残余应力与深海压强耦合，研究深潜器耐压球壳在该极限服役工况下的应力分布规律，分析残余应力对其疲劳寿命的影响。结果表明，耐压球壳最易出现裂纹的位置在出入舱口焊缝焊趾区域，焊接残余应力会导致耐压球壳疲劳寿命大幅下降，经过退火处理其疲劳寿命有明显提升，焊接残余应力降低耐压球壳疲劳寿命的影响不可忽略，退火消减焊接残余应力的工艺必不可少。 |
| 作者： | 张宇翔 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 罗家元 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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