大潜深结构的低周疲劳可靠性研究

发布时间：2020-08-26 17:49

【摘要】：近年来全球探海技术高速进步,各国大力投入对水下结构物的发展。载人潜水器和潜艇作为水下结构中的典型代表,分别在科考领域和国防领域发挥重要作用。载人潜水器的下潜深度较大,达到千米甚至万米级别,常采用球形耐压壳;潜艇作为服务于国防事业的军事武器,耐压壳的体积较大,常采用圆柱形,下潜深度在300m左右。一般对于极限下潜深度大于500m的结构称为大潜深结构,常规潜艇很少可以下潜至500m以上的深度。目前对大潜深圆柱耐压壳的研究相对较少,耐压壳在频繁地上浮和下潜过程中周期性地受到不同幅值的静水压力作用,导致结构发生低周疲劳破坏,引入可靠性思想,则能够更加精准地预测寿命。本文以极限下潜深度600m的潜艇为研究对象,鉴于对潜艇历史下潜数据的收集较为困难,通过拟合“Alvin”载人潜水器的下潜数据来建立潜艇下潜深度分布的概率模型,获得其疲劳载荷谱。并将有限元分析结果与理论计算结果对比,验证了按疲劳载荷谱方法下数值模拟的耐压壳寿命比按极限载荷方法下的数值模拟寿命更加精准,在此基础上对耐压壳的疲劳可靠性进行研究,提出考虑疲劳与稳定性共失效模式下的可靠性研究方法。具体的研究内容如下:(1)采用“Alvin”载人潜水器的下潜数据作为原始数据,利用数理统计的方法对原始数据进行拟合分析,对比分析了Weibull分布和Gumbel分布函数,建立了合适的下潜深度分布概率模型,确定疲劳载荷谱。(2)以潜艇耐压壳结构中的典型部位—锥柱结合壳为研究对象,采用两种不同修正方法(S-W-T方法、Morrow法)对耐压壳的疲劳热点区域进行裂纹萌生分析,并采用断裂力学方法对壳体外表面凸锥部位进行裂纹扩展分析,发现该部位的疲劳裂纹扩展寿命比疲劳裂纹萌生寿命要小得多。(3)采用理论计算和有限元相结合的方法对耐压壳体外表面裂纹萌生阶段、裂纹沿深度方向扩展阶段进行研究。研究发现,按疲劳载荷谱方法下的数值模拟结果与理论计算结果较吻合,且误差小于按极限载荷方法下的数值模拟结果与理论计算结果的误差,验证了按疲劳载荷谱方法进行有限元分析的准确性。该方法下的数值模拟分析获得了更加接近理论计算的疲劳寿命,验证了本文拟合的载荷谱信息是具有一定可靠性的。(4)采用Fortran语言编写潜艇耐压壳的疲劳可靠性计算程序,讨论各随机参数对可靠性的影响。基于对单一疲劳失效模式下的可靠性研究,考虑疲劳和稳定性两种失效模式之间的相关性,以传统串联、并联系统可靠性模型为基础,建立两种载荷共同作用下耐压壳的可靠性模型,提出耐压壳在疲劳与稳定性共失效模式下的可靠性分析方法。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.941

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本文编号：2805498