载人潜水器的疲劳寿命分析与安全评估

摘要

随着地球资源的不断消耗，海洋成为最具发展潜力的战略空间。海洋科学技术的发展得益于载人潜水器等海洋深潜器的发展，因此，研究载人潜水器的疲劳可靠性、建立和完善深海潜水器的安全评估方法，具有十分重要的现实意义。本论文以载人潜水器为研究对象，对其疲劳可靠性、载人舱结构的疲劳寿命预测、安全评估方法等方面进行了研究。主要研究内容包括：　　基于有限元分析和疲劳预测模型，研究了载人潜水器的疲劳可靠性问题。应用有限元分析软件对三种不同的载人潜水器的应力应变进行了分析，结果表明金属连杆和圆肋有助于提高载人潜水器的可靠性；通过基于裂纹扩展的疲劳预测模型，对载人潜水器进行疲劳可靠性分析，探究了裂纹初始值、材料常数、应力强度因子等参数对裂纹-寿命曲线的影响。　　基于裂纹扩展和疲劳可靠度，研究了载人潜水器的寿命预测问题。根据拟合Gumbel分布函数建立了载人潜水器的载荷谱，利用非线性虚拟区间划分方法对载荷谱进行划分；通过建立裂纹长度和疲劳可靠度之间的关系，结合载荷谱非线性虚拟区间划分方法，建立了载人潜水器的疲劳寿命预测模型，并探究了区间划分初值对寿命预测的影响，结果显示，当区间划分初值大于80时，疲劳寿命预测值的变化率趋于稳定。　　基于专家系统和安全评估指标体系，研究了载人潜水器的安全评估问题。综合模糊评估和故障树分析法建立了载人潜水器的评估指标体系，将安全评估指标体系中的指标结构重要度作为评估依据，求解载人潜水器结构评估指标体系的相应权重，形成一种安全评估的方法。将所提出的安全评估方法应用于载人潜水器的载人舱安全评价中，证实载人舱壳体是安全的。

目录

声明

符号注释表

第 1 章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 载人潜水器疲劳可靠性的研究现状

1.2.2 载人潜水器疲劳寿命的研究现状

1.2.3 载人潜水器安全评估方法的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第 2 章 载人潜水器结构的可靠性分析

2.1 载人潜水器载人舱的强度特性

2.1.1 圆柱壳-半球壳组合结构的强度求解模型

2.1.2 壳体材料特性分析

2.1.3 载人舱结构圆柱壳的求解

2.1.4 载人舱结构半球壳的求解

2.2 基于ANSYS的载人舱结构应力应变分析

2.2.1 加圆肋的载人舱结构应力应变分析

2.2.2 加圆肋和连杆的载人舱结构应力应变分析

2.3 可靠性理论

2.3.1 随机变量的统计分布类型

2.3.2 疲劳可靠性分析方法

2.4 基于裂纹扩展的疲劳预报模型的疲劳可靠性分析

2.4.1 统一的疲劳寿命预测模型

2.4.2 疲劳可靠性分析中的参数取值

2.4.3 参数变化对的a?N曲线的影响

2.5 本章小结

第 3 章 载人潜水器载人舱结构的寿命预测

3.1 载人舱的载荷谱计算

3.1.1 载人潜水器载人舱的载荷历程

3.1.2 载人潜水器下潜数据收集

3.1.3 Alvin号载人潜水器载荷谱分析及拟合

3.1.4 圆柱壳-半球壳加肋组合结构载人舱的载荷谱

3.2 疲劳寿命预测

3.2.1 非线性虚拟区间划分模型

3.2.2 疲劳寿命预测模型

3.3 算例分析

3.4 本章小结

第 4 章 载人潜水器安全评估方法

4.1 安全评估指标体系及构建原则

4.2 实例计算

4.3 载人潜水器的安全评估

4.4 模型验证

4.5 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A(攻读学位期间学术论文发表情况)

附录B(攻读学位期间所参加的科研项目)