钛合金材料保载-疲劳裂纹扩展速率预报方法研究

摘要

如今，越来越多的国家将深海资源的开发与利用定位成重要的战略目标，因此在海洋资源上的竞争也越来越激烈。深海载人潜水器作为深海科学考察的重要工具，在深海地理环境研究、海洋资源调查和深海生物基因研究等方面起着至关重要的作用。由于海洋环境具有较大的复杂性和多变性，潜水器在服役期间承受着周期性的波动载荷，所以疲劳破坏成为了深潜器等海洋结构物在服役期间的主要破坏形式之一。深海载人潜水器耐压壳体材料的寿命与潜水器的可靠性和服役期限密切相关，虽然一直以来对潜水器耐压壳结构进行疲劳寿命计算时，采用的载荷谱都为疲劳循环载荷，但在实际工作过程中潜水器耐压壳结构除了承受下潜和上浮的循环载荷之外，还承受着下潜到深度工作时的保持载荷。因此，耐压壳结构的疲劳实际还存在着保载-疲劳问题。钛合金材料由于其突出的力学性能，成为潜艇和深潜器耐压壳体制造的重要材料，且大量的试验都证明保载-疲劳下的结构寿命要明显低于纯疲劳条件下的结构寿命。因此，开展对大深度载人潜水器耐压壳用钛合金材料的保载-疲劳裂纹扩展速率预报方法研究是具有重要科学研究前景和工程实际意义的。
　　本文的主要研究目的是提出一种适用于大深度载人潜水器耐压壳结构的保载-疲劳裂纹扩展行为预报方法，并利用该方法对潜水器耐压壳用典型钛合金材料的保载-疲劳寿命和裂纹扩展速率进行预报。基于这一目的，本文主要研究内容有如下几个方面：
　　(1)对国内外疲劳和保载-疲劳裂纹扩展速率预报方法进行了综述。重点总结保载-疲劳裂纹扩展速率预报方法，为本文的研究奠定基础；
　　(2)对保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型进行修正，提出一个与保载时间相关的参数?，使修正后的预报模型更加适用于保载时间影响下的裂纹扩展情况；
　　(3)对本文修正后的保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型中的新增的参数?以及疲劳项和保载项中的各个参数进行灵敏度分析，并研究了保载时间、材料参数?对保载-疲劳裂纹扩展速率的影响。基于修正后的保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型，对IMI834、Ti-6242和Ti-6Al-4V三种钛合金的疲劳和保载-疲劳裂纹扩展行为进行预报研究，并与试验结果进行对比，验证修正后的保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型的适用性；
　　(4)对潜水器常用钛合金 Ti-6Al-4V进行疲劳和保载-疲劳裂纹扩展速率试验研究。设计拉伸试验和断裂韧性试验以得到钛合金 Ti-6Al-4V的基本力学性能，最终进行疲劳和保载-疲劳裂纹扩展速率试验，并与本文修正后的保载-疲劳裂纹扩展速率的预报结果进行对比，验证修正后的预报模型的适用性，并比较不同保载时间对保载-疲劳裂纹扩展速率的影响；
　　(5)对钛合金Ti-6Al-4V疲劳和保载-疲劳裂纹扩展行为进行数值模拟研究。为了直观地观察到裂纹扩展过程，本文利用 Abaqus软件建立有限元模型，再利用 Zencrack软件对裂纹扩展行为进行数值模拟，最终得到裂纹扩展速率，以及裂纹扩展过程的前缘形状、应力分布和扩展路径。
　　本文的创新性工作主要体现在：基于海洋结构物保载-疲劳裂纹扩展行为预报方法，对已有的保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型进行修正，并对不同保载参数下的保载-疲劳裂纹扩展行为进行研究；对潜水器常用钛合金进行不同保载时间下的疲劳裂纹扩展速率试验，从而为载人潜水器保载-疲劳裂纹扩展行为提供工程应用方法。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文主要研究内容与创新点

第2章 钛合金室温保载-疲劳裂纹扩展行为研究

2.1 引言

2.2 疲劳裂纹扩展速率模型

2.3 保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型

2.4 考虑保载时间的指数参数η的保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型

2.5 模型验证

2.6 本章小结

第3章 保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型参数灵敏度及预报能力研究

3.1 引言

3.2 保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型参数灵敏度分析

3.3 保载-疲劳裂纹行为预报修正模型预报能力研究

3.4 本章小结

第4章 海洋结构物用钛合金保载-疲劳裂纹扩展速率试验研究

4.1 引言

4.2 试验方案

4.3 钛合金Ti-6Al-4V疲劳与保载-疲劳裂纹扩展试验结果

4.4 试验结果与预报结果对比分析

4.5 模型修正前后预报结果对比分析

4.6 本章小结

第5章 保载-疲劳裂纹扩展速率数值模拟

5.1 引言

5.2 Zencrack计算准确性验证

5.3 钛合金Ti-6Al-4V裂纹扩展行为数值模拟研究

5.4 本章小结

结论与展望

攻读学位期间发表的学术论文

致谢