【摘 要】
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随着载人潜水器技术的发展进步,深海资源的探索成为人类科学研究的新领域。钛合金载人壳体是深海潜水器的重要结构,关系到科研人员的安全,其重要性不言而喻。深潜器的下潜-上浮会使耐压球壳受到不同深度海水压力作用,对于钛合金结构来说,由于交变应力产生的疲劳破坏不可避免,因此耐压球壳的疲劳寿命预报对于深潜器服役安全性保障尤为重要。本文以美国深海潜水器“Alvin”号的钛合金载人壳体作为研究对象,采用基于疲劳累
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随着载人潜水器技术的发展进步,深海资源的探索成为人类科学研究的新领域。钛合金载人壳体是深海潜水器的重要结构,关系到科研人员的安全,其重要性不言而喻。深潜器的下潜-上浮会使耐压球壳受到不同深度海水压力作用,对于钛合金结构来说,由于交变应力产生的疲劳破坏不可避免,因此耐压球壳的疲劳寿命预报对于深潜器服役安全性保障尤为重要。本文以美国深海潜水器“Alvin”号的钛合金载人壳体作为研究对象,采用基于疲劳累计损伤理论与断裂力学理论的两阶段法对球壳全疲劳寿命进行预报,并引入疲劳可靠性理论,提高疲劳寿命预报的准确性。对“Alvin”号的历史下潜数据进行收集,对数据进行分析并采用合适的分布函数对其下潜载荷谱进行拟合。通过误差对比,选取Gumbel分布作为下潜深度概率模型。在裂纹萌生寿命预报阶段,利用Ansys进行有限元仿真分析,对耐压球壳进行强度校核验证了模型的准确性,并通过应力云图定位疲劳裂纹萌生位置。基于局部应力-应变法评估了耐压球壳的疲劳裂纹萌生寿命,并针对各参数进一步研究,分析了焊接残余应力对裂纹萌生寿命影响规律。在裂纹扩展寿命预报阶段,首先利用有限元软件FRANC3D对模型进行拆分,基于位移外推法计算裂纹应力强度因子并对其分布规律进行讨论;采用经典Paris裂纹扩展模型对裂纹扩展寿命进行评估,多次计算结果均满足设计要求;对初始裂纹深度、初始裂纹深度半宽比、应力强度因子幅门槛值等影响因素进行了讨论。采用Matlab编写耐压球壳疲劳可靠性分析程序,使用响应面法（RSM）对载人球壳疲劳可靠性进行分析,使用蒙特卡洛法对响应面法结果进行验证。结果表明耐压球壳的疲劳失效概率很低,并且响应面法的计算结果是准确的。最后进行参数敏感性分析,结果表明材料参数与设计下潜次数对失效概率有较大影响。
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