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大深度载人潜水器钛合金耐压球壳疲劳可靠性分析

作　者: 陈承皓
导　师: 唐文勇
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 钛合金耐压球壳 疲劳可靠性 二次响应面法 全寿命模型
分类号: U661.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


大深度潜水器的耐压壳体是保证潜水器正常作业的主要承力结构,其疲劳寿命及可靠性指标将直接影响潜水器的整体安全性能。本文基于断裂力学方法对大深度载人潜水器钛合金耐压球壳的疲劳寿命进行预测,并对其疲劳可靠性进行分析,为潜水器结构设计优化提供依据和参考。选用最大设计下潜深度为4500米的美国Alvin号潜水器的下潜历史数据作为参考,由此确定该深度级别潜水器的疲劳载荷谱。通过不同概率模型的对比研究,选择了Gumbel分布作为深潜器下潜深度的概率分布模型,并通过潜水器所受压力与下潜深度的关系得到了耐压球壳的疲劳载荷谱。分别基于板壳理论方法和有限元数值方法对耐压球壳的应力水平进行分析,通过计算,该耐压球壳满足潜水器建造规范中对于其静强度的要求。结合断裂力学对钛合金耐压球壳的疲劳寿命进行估算,分别采用基于Paris裂纹扩展模型和基于Brown-Hobson模型的疲劳全寿命裂纹扩展模型对裂纹扩展进行确定性分析,结果均满足设计要求。最后综合计算精度和计算效率选择不含交叉项的二次响应面法作为耐压球壳疲劳可靠性的计算方法,并且分别基于Paris模型和基于Brown-Hobson模型的全寿命模型进行了可靠度指标计算和参数敏感性分析,可为各参数数值的选取及下潜作业深度提供一定的参考。结合计算结果从模型分析,由于全寿命模型计及了短裂纹扩展阶段从而能更好的描述裂纹扩展的过程,比起Paris模型结果更为精确,更适合应用于潜水器耐压球壳。

全文目录


摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-22
  1.1 课题的背景和意义  12-14
  1.2 相关领域的研究现状  14-20
    1.2.1 国内外大深度潜水器简介  14
    1.2.2 钛合金耐压壳体相关研究  14-16
    1.2.3 结构疲劳可靠性相关研究  16-20
  1.3 本文主要研究内容  20-22
第二章 结构疲劳寿命分析方法  22-30
  2.1 疲劳安全寿命分析方法  22-25
    2.1.1 名义应力法  22
    2.1.2 局部应力应变法  22-23
    2.1.3 应力场强法  23-24
    2.1.4 能量法  24-25
  2.2 损伤容限分析方法  25-26
    2.2.1 线弹性断裂力学  25
    2.2.2 弹塑性断裂力学  25-26
    2.2.3 断裂动力学  26
  2.3 基于有限元的疲劳分析方法  26-28
  2.4 耐压球壳疲劳寿命分析方法的确定  28-29
  2.5 本章小结  29-30
第三章 耐压球壳疲劳载荷谱分析  30-38
  3.1 载人潜水器下潜历史数据  30-32
  3.2 载人潜水器下潜数据拟合  32-36
    3.2.1 Weibull 分布  33-34
    3.2.2 Gumbel 分布  34-35
    3.2.3 不同分布拟合结果比较  35-36
  3.3 疲劳载荷谱的确定  36-37
  3.4 本章小结  37-38
第四章 耐压球壳疲劳寿命评估  38-58
  4.1 耐压壳体结构参数  38-39
  4.2 耐压球壳静强度校核  39-47
    4.2.1 板壳理论计算结果  39-40
    4.2.2 有限元分析结果  40-46
    4.2.3 静强度校核  46-47
  4.3 基于Paris 模型的耐压球壳的疲劳寿命预测  47-51
    4.3.1 Paris 裂纹扩展模型  47-48
    4.3.2 基于Paris 模型的确定性裂纹扩展分析  48-51
  4.4 基于全寿命模型的耐压球壳疲劳寿命预测  51-57
    4.4.1 Brown-Hobson 裂纹扩展模型  51-53
    4.4.2 基于全寿命模型的确定性裂纹扩展分析  53-57
  4.5 本章小结  57-58
第五章 耐压球壳疲劳可靠性分析  58-81
  5.1 结构可靠性计算理论  58-63
    5.1.1 可靠性分析方法  58-62
    5.1.2 可靠性灵敏度分析方法  62-63
  5.2 基于Paris 模型的球壳疲劳可靠性分析  63-72
    5.2.1 基于Paris 模型的可靠性模型及参数分析  63-65
    5.2.2 基于Paris 模型的可靠性分析及参数灵敏度分析  65-72
  5.3 基于全寿命模型的球壳疲劳可靠性分析  72-80
    5.3.1 全寿命可靠性模型及参数分析  72-73
    5.3.2 全寿命模型可靠性分析及参数灵敏度分析  73-80
  5.4 本章小结  80-81
第六章 总结与展望  81-83
  6.1 全文总结  81-82
  6.2 研究展望  82-83
参考文献  83-86
致谢  86-87
攻读硕士学位期间发表或录用的论文  87

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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 船舶原理 > 船舶结构力学
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