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《江苏科技大学》 2019年 硕士论文
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载荷次序效应对钛合金材料疲劳性能影响试验研究

孙晓鹏  
【摘要】:随着国际上对海洋资源越来越重视,越来越多的国家把目标投向深海开发,深海载人深潜器的研发水平在一定程度上代表着一个国家深海开发水平的高低。近年来,我国在许多深海开发重大科研领域都取得了长足的发展,其中就包括“蛟龙号”万米载人深潜器、“潜龙号”无人潜水器及“海龙号”无人缆控潜水器等国之重器。特殊的服役环境决定了,如何解决载人深潜器耐压结构的疲劳问题是载人深潜器设计成功与否的关键。在工作过程中,载人深潜器会经历频繁下潜-作业-上浮的过程,而在这个过程中深潜器耐压壳会经历载荷增加-保持载荷-载荷降低的过程。由于海洋坏境的复杂性及深潜器工作过程的不确定性,为了确保载人深潜器耐压结构的安全,在开展裂纹扩展分析及寿命预报的过程中,有必要充分考虑除了常规三角波载荷、正弦波载荷和保载梯形波载荷外的过载载荷、低载载荷等随机载荷的影响。本文基于疲劳裂纹扩展理论,设计了载人深潜器耐压壳材料TI-6AL-4V不同保载时间下保载-疲劳裂纹扩展速率试验。试验设计充分考虑了载荷次序对裂纹扩展的影响,针对过载保载-疲劳这一特殊载荷形式,对TI-6AL-4V的裂纹扩展行为开展试验研究。根据实验结果对已有预报模型进行修正,提出了适用于载人深潜器耐压壳材料过载保载-疲劳裂纹扩展速率的预报模型。同时,利用该模型对不同种类钛合金过载保载-疲劳裂纹扩展速率进行预报,并将预报结果与试验结果进行对比分析,验证模型的可靠性。本文主要研究内容汇总如下:(1)对国内外疲劳裂纹扩展研究进展进行了综述。重点针对不同专家学者在保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型及考虑载荷次序效应的保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型等领域的研究内容,进行了整理和汇总研究,为后续的研究奠定基础;(2)设计开展疲劳裂纹扩展速率试验及保载-疲劳裂纹扩展速率试验,提出钛合金材料TI-6AL-4V最低保载饱和时间,开展对照组试验,排除试验变量之外的主要环境因素对试验结果的影响,并对试件断面进行分析,从而证明试验结果的准确性及试验的可靠性;(3)对钛合金材料TI-6AL-4V室温保载-疲劳裂纹扩展行为进行研究,基于载荷次序效应,对考虑过载影响的保载-疲劳的裂纹扩展速率及裂纹扩展机理进行研究,设计、开展不同过载比、不同保载时间下的保载-疲劳的裂纹扩展速率试验,比较、分析试件断面,研究过载迟滞线的产生原因及影响条件;(4)对保载-疲劳裂纹扩展速率模型进行修改,基于试验结果拟合预报模型,确定模型中的部分参数,提出考虑载荷次序效应的过载保载-疲劳裂纹扩展速率预报模型,开展不同种类钛合金材料的过载保载-疲劳裂纹扩展速率试验,对模型的准确性进行验证,同时比较新型钛合金和TI-6AL-4V的抗疲劳性能。


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