鈦合金材料保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報方法研究.pdf

1、如今，越來越多的國家將深海資源的開發(fā)與利用定位成重要的戰(zhàn)略目標(biāo)，因此在海洋資源上的競爭也越來越激烈。深海載人潛水器作為深?？茖W(xué)考察的重要工具，在深海地理環(huán)境研究、海洋資源調(diào)查和深海生物基因研究等方面起著至關(guān)重要的作用。由于海洋環(huán)境具有較大的復(fù)雜性和多變性，潛水器在服役期間承受著周期性的波動載荷，所以疲勞破壞成為了深潛器等海洋結(jié)構(gòu)物在服役期間的主要破壞形式之一。深海載人潛水器耐壓殼體材料的壽命與潛水器的可靠性和服役期限密切相關(guān)，雖然一直以

2、來對潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)進行疲勞壽命計算時，采用的載荷譜都為疲勞循環(huán)載荷，但在實際工作過程中潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)除了承受下潛和上浮的循環(huán)載荷之外，還承受著下潛到深度工作時的保持載荷。因此，耐壓殼結(jié)構(gòu)的疲勞實際還存在著保載-疲勞問題。鈦合金材料由于其突出的力學(xué)性能，成為潛艇和深潛器耐壓殼體制造的重要材料，且大量的試驗都證明保載-疲勞下的結(jié)構(gòu)壽命要明顯低于純疲勞條件下的結(jié)構(gòu)壽命。因此，開展對大深度載人潛水器耐壓殼用鈦合金材料的保載-疲勞裂紋擴展速率

3、預(yù)報方法研究是具有重要科學(xué)研究前景和工程實際意義的。
　　本文的主要研究目的是提出一種適用于大深度載人潛水器耐壓殼結(jié)構(gòu)的保載-疲勞裂紋擴展行為預(yù)報方法，并利用該方法對潛水器耐壓殼用典型鈦合金材料的保載-疲勞壽命和裂紋擴展速率進行預(yù)報?；谶@一目的，本文主要研究內(nèi)容有如下幾個方面：
　　(1)對國內(nèi)外疲勞和保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報方法進行了綜述。重點總結(jié)保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報方法，為本文的研究奠定基礎(chǔ)；
　　(2)

4、對保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型進行修正，提出一個與保載時間相關(guān)的參數(shù)?，使修正后的預(yù)報模型更加適用于保載時間影響下的裂紋擴展情況；
　　(3)對本文修正后的保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型中的新增的參數(shù)?以及疲勞項和保載項中的各個參數(shù)進行靈敏度分析，并研究了保載時間、材料參數(shù)?對保載-疲勞裂紋擴展速率的影響。基于修正后的保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型，對IMI834、Ti-6242和Ti-6Al-4V三種鈦合金的疲勞和保載-疲勞裂

5、紋擴展行為進行預(yù)報研究，并與試驗結(jié)果進行對比，驗證修正后的保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型的適用性；
　　(4)對潛水器常用鈦合金 Ti-6Al-4V進行疲勞和保載-疲勞裂紋擴展速率試驗研究。設(shè)計拉伸試驗和斷裂韌性試驗以得到鈦合金 Ti-6Al-4V的基本力學(xué)性能，最終進行疲勞和保載-疲勞裂紋擴展速率試驗，并與本文修正后的保載-疲勞裂紋擴展速率的預(yù)報結(jié)果進行對比，驗證修正后的預(yù)報模型的適用性，并比較不同保載時間對保載-疲勞裂紋擴展速

6、率的影響；
　　(5)對鈦合金Ti-6Al-4V疲勞和保載-疲勞裂紋擴展行為進行數(shù)值模擬研究。為了直觀地觀察到裂紋擴展過程，本文利用 Abaqus軟件建立有限元模型，再利用 Zencrack軟件對裂紋擴展行為進行數(shù)值模擬，最終得到裂紋擴展速率，以及裂紋擴展過程的前緣形狀、應(yīng)力分布和擴展路徑。
　　本文的創(chuàng)新性工作主要體現(xiàn)在：基于海洋結(jié)構(gòu)物保載-疲勞裂紋擴展行為預(yù)報方法，對已有的保載-疲勞裂紋擴展速率預(yù)報模型進行修正，并對不同