第 20 卷第 3 期 2006 年 06 月 江苏科技大学学报 ( 自然科学版 ) JournalofJiangsuUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition) Vo1 20 No 3 Jun.2006 文章编号 :1673-4807(2006)03-0001-05 大深度载人潜水器疲劳寿命有限元分析 李良碧, 罗广恩, 王自力 ( 江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 江苏镇江 212003) 摘要 : 载人潜水器随着使用次数的增加, 将有可能导致低周疲劳破坏 为了确保载人潜水器载人球壳的安全性, 必须进行载人球壳的低周疲劳寿命分析 潜水器在一些特殊的局部区域是受拉伸应力影响的, 开孔处结构的特点和深水压力共同作用就产生了较大的拉应力, 因此这些较大的拉伸应力在此部位易引起结构的疲劳裂纹, 并且缩短使用寿命 本文首先介绍了基于有限元疲劳寿命的理论基础和分析方法, 然后建立载人潜水器有限元分析模型, 按极限载荷和载荷谱分别计算出的疲劳寿命, 不但可靠度高, 而且可以方便地修改计算参数和进行结构优化, 提高了计算的准确性和运算效率, 极大程度地降低了人工费用 关键词 : 载人潜水器 ; 疲劳寿命 ; 有限元方法 中图分类号 :U661 4 文献标识码 :A FatigueLifeAnalysisofDeepMannedSubmersible byusingfiniteelementmethod LILiangbi,LUOGuangen,WANGZili (SchoolofNavalArchitectureandOceanEng.,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,ZhenjiangJiangsu212003,China) Abstract:Withtheincreasingofsubmergencetimes,thedamageofthedeepmannedsubmersibleduetothe lowcyclefatiguemayoccur.toinsurethesafetyofthepresurizedsphericalshelofthedeepmannedsub mersible,thelowcyclefatigueisanalyzed.thetheoryandtheanalysismethodbasedonthefatiguelifeisin troduced.afiniteelementmodelofdeepmannedsubmersibleisthenbuilt.thefatiguelifepredicationby meansofthefiniteelementmethodprovedreliableandthestructureparametercanberevisedconvenientlyfor theoptimization. Keywords:mannedsubmersible;fatiguelife;finiteelementmethod 0 引言 载人潜水器是运载科研设备或科研人员进入海洋预定位置进行各种观察或作业的装备, 它是人类能实现开发海洋的一项重要技术手段 潜水器的使用条件对其壳体的材料提出了许多特殊的要求, 深潜器的壳体应该具有最低的相对重量, 材料密度小, 单位强度高和单位刚度大 高强度金属具有这些性 收稿日期 :2005-08-29 基金项目 : 行业基金项目 ( 校编 2003108) 作者简介 : 李良碧 (1971-), 女, 江苏镇江人, 江苏科技大学讲师
江苏科技大学学报 自然科学版 年 质 但是对疲劳载荷 焊接等增加了敏感性 以及在载荷作用下易受腐蚀发裂 在载人潜水器耐压结构 的设计中 开孔周围的应力梯度会影响极限深度及耐压壳的疲劳寿命 对于深海载人潜水器 主要的开 孔限于人员出入舱口 观察窗等 人员出入舱口可用围槛型舱口 常用于深海潜水器以减轻重量 载人 潜水器每执行一次下潜任务 它都要承受一次海水压力作用 外部压力的大小随着下潜深度的不同而各 异 随着使用次数的增加 将有可能导致载人球壳的低周疲劳破坏 为了确保载人潜水器载人球壳的安 全性 所以必须进行载人球壳的低周疲劳寿命分析 国内研究载人潜水器疲劳的文献相对较少 文献 研究了大深度载人潜水器耐压球壳的疲劳载荷谱 但针对载人潜水器疲劳寿命的研究文章尚未有 报导 因此本文针对潜水器耐压球壳局部受拉伸应力的特殊部位 对大深度载人潜水器耐压球壳进行 了疲劳寿命有限元分析 有限元疲劳寿命分析方法 疲劳分析的最终目的就是确定结构的疲劳寿命 载人潜水器随着工作循环次数的增大 构件的复 杂化和循环应力的相对增大 这时 结构就会产生相当数量的塑性变形 这就使得结构寿命相对降低 这 种类型的疲劳通常称为低周疲劳 处理此类疲劳的方法称作应变寿命法或局部应力应变法 当利用塑性应变幅 εｐ 的对数与发生破坏的载荷反向次数 Ｎ的对数进行作图时 对于金属材料可 以看到存在的直线关系 即 Ｎ εｐ ε 式中 ε 为疲劳延性指数 Ｎ为以反向计数的疲劳寿命 为以循环数计的疲劳寿命 为疲劳延性系数 的 倍 ε和 是与疲劳延性有关的系数 ε约等于 材料的单调断裂应变 ε 的取值范围为 总应 变 为 寿 命 曲 线 在 数 学 表 达 式 上 可 用 Ｂ ｑ 方程和 Ｍ Ｃ 方程的 叠 加 来 描 述 ε ε εｐ ε ε εｐ σ Ｎ ε Ｎ Ｅ 式中 ε为总应变幅 ε为弹性应变幅 σ 为 低周疲劳参数 通过在有限元软件中快速有效地 改变结构的设计参数 而不用建造试验模型 这样 分析大 大 降 低 了 结 构 开 发 的 成 本 有 限 元 软 件 ＭＳＣ Ｆ 主要根据有限元模型提供的结构应 力或应变分布 结构载荷的变化 以及材料的疲劳 图 疲劳寿命有限元预测流程图 Ｆ Ｆ ｗ ｈ ｐ 特性等条件 预测结构寿命 采用应变寿命法 有限 ｙ ｍ ｍ ｈ 元 模块疲劳寿命预测流程图如图 所示 大深度载人潜水器有限元疲劳寿命分析模型 模型特点 为研究大深度载人潜水器有限元疲劳寿命 本文采用 ７ ｍ大深度载人潜水器 有人员出入舱开孔 属 为分析对象 该潜水器各部分都满足加工要求 焊接处无明显残余应力 该模型的半径厚度比为
第 期 李良碧等 大深度载人潜水器疲劳寿命有限元分析 中厚壳范围 边界处理 载人潜水器耐压球壳在水下工作时不受任何约束 但采用有 限元位移法进行计算时要求消除结构刚体位移 所以计算模型应有 足够的位移约束 球壳壳体需 点支持 约束 个位移分量 消除刚 体位移且不妨碍相对变形 经过多次计算分析后 选取出较为合理 坐标轴的位置上 相隔 取个 的边界条件 即在球壳位于 ｘ和 ｚ 节点 在 ｚ坐标轴上的节点 和 其 ｘ ｙ 在 ｘ坐标轴上的 其 ｙ ｚ 有限元模型边界条件见图 节点 单元选择和网格划分 由于耐压球壳结构的厚度半径比较大 所以在有限元分析计算 时采用 节点 Ｈ ｘ 六面体 高精度体单元 壳体沿厚度方向分为 图 有限元模型的边界条件 Ｆ Ｂ ｙ ｍ ｗ ｈ 若干层 这将能体现出沿球壳厚度方向的非线性关系 整个球壳共 ｍ ｍ ｈ 划分成 ７ ７个节点和 个单元 见图 图 有限元网格划分 Ｆ Ｍ ｈ ｍ ｍ 载 荷 潜水器最大下潜深度为 ７ ｍ 所以在壳体外表面承受均匀分布的压力 ｐ 大小为 ７ ＭＰ 大深度载人潜水器应力分析结果 有限元计算的潜水器 ｖ Ｍ 应力如图 所示 潜水器耐压 球壳工作时在一些特殊的局部区域是受拉伸应力的 如图 的开孔 Ａ处 因此 本文针对该部位进行疲劳寿命研究 这些较大的拉伸 应力在此部位易引起结构的疲劳裂纹 并且缩短使用寿命 有限元疲劳寿命分析 将上述模型及应力计算结果输入到 ＭＳ ＣＦ 模块 中进 行疲劳寿命分析 图 潜水器 ｖ Ｍ 应力分布图 Ｆ Ｓ ｍ 模型相关信息输入 材料特性输入 该结构采用某高强合金钢 设其屈服强度 σ ＭＰ 极限强度 σ ７ ＭＰ 弹性模量为
江苏科技大学学报 自然科学版 年 ＭＰ 泊松比为 循环载荷输入 ① 极限载荷深度下的疲劳载荷 参考文献 采用极限深度时潜水器球壳所承受的应力为疲劳循环载荷的应力幅值 且疲劳载荷 为三角波 一次循环周期的应力幅值变化是从 到 ７ ＭＰ 再到 ② 按载荷谱下潜的疲劳寿命 ｍ载人潜水器每 ｍ深度段下的下潜载荷谱 如表 所示 将 考虑试验及训练下潜 我国 ７ 下潜载荷谱在疲劳有限元软件中转化为下潜压力谱 如图 所示 按下潜压力谱对潜水器进行疲劳寿 命计算 表 我国 ７ ｍ载人潜水器每 ｍ深度段下的下潜数据 Ｔ Ｄ ｖ ｍ ７ ｍ ｐｍ ｍ 深度段 ｈ ｍ 次数 深度段 ｈ ｍ 次数 ７ ７ ７ 图 潜水器下潜压力谱 Ｆ Ｐ ｐ ｍ ｍ 应力计算结果输入 由强度理论可知 最大拉应力理论可以解释断裂失效 该理论认为一旦最大拉应力达到与材料性 质有关的某一极限值时 材料就发生断裂 所以本文采用有限元计算的最大拉伸应力来研究疲劳寿命 疲劳寿命预测结果及分析 极限载荷下的疲劳寿命 所谓极限载荷是指潜水器在 ７ ｍ处所受的水压力 潜水器从水面下潜至 ７ ｍ深处 并返回水 面称为一次极限下潜 根据资料 该潜水器的疲劳系数在 之间 由于没有该材料疲劳试验的具体 疲劳缺口系数 ｋ 数据 所以表 和图 列出了疲劳强度系数 σ 与疲劳寿命 Ｎ之间的关系 从上述图 表中可看出 随着疲劳缺口系数的增加 疲劳寿命呈现下降的趋势 尤其是当疲劳缺口系数 ｋ 超过 以 后 疲劳寿命急剧减少 若要知道该结构较准确的寿命值 则要通过相关的试验 准确测得疲劳试件相 关的参数值 其中包括 ｋ 值的测定 ７ ｍ载人潜水器若测得该材料的疲劳强度系数 σ 疲劳缺口系 根据结构形式及其特点 为 ７ 数为 再根据安全系数可得到结构的疲劳寿命 由相关资料 大深度载人潜水器的极限下潜次数一般 在百次左右 因此 由有限元计算出的疲劳寿命满足载人潜水器的实际工作需要 表 疲劳寿命 Ｎ与疲劳缺口系数 ｋ 关系 Ｔ Ｒ ｈ 疲劳缺口 疲劳寿命 Ｎ 系数 ｋ ７ ７ ７ ７７ ７ ７ ７ ７ ７ 图 疲劳寿命 Ｎ与疲劳缺口系数 ｋ 关系图 Ｆ Ｒ ｈ
第 3 期 李良碧等 : 大深度载人潜水器疲劳寿命有限元分析 5 图 7 为球壳开孔部位的寿命分布图, 从图中看出,B 处为寿命最短处, 即疲劳破坏最先从此处开始 这与其拉伸应力的分布特点有关 4 2 2 按载荷谱下潜的疲劳寿命载人潜水器钛合金载人球壳按载荷谱设计的下潜次数为 4000 次 [1], 有限元按载荷谱疲劳计算结果的疲劳结果为 N 大于 4000 次 所以该潜器设计的下潜次数为 4000 次是偏安全的 载人潜水器的规范上未见有疲劳寿命要求的相关条款, 由此可推得, 在满足载人潜水器球壳稳定性的要求下, 该潜水器疲劳寿命的要求一般都是满足的 图 7 潜水器疲劳寿命分布图 Fig.7 Fatiguelifeofsubmersible 5 结论 1) 潜水器在一些特殊的局部区域是受拉伸应力的 由于开孔处结构的特点和深水压力共同作用而产生了较大的拉应力, 因此这些较大的拉伸应力在此部位易引起结构的疲劳裂纹, 并且缩短使用寿命 2) 当潜水器疲劳缺口系数 k f 超过 3 以后, 疲劳寿命急剧减少 3) 若要知道该结构较准确的寿命值, 则要通过相关的试验, 准确测得疲劳试件相关的参数值, 其中包括 k f 值的测定 4) 有限元按极限载荷计算和按载荷谱计算出的疲劳寿命满足载人潜水器的实际工作需要 7000m 载人潜水器设计的下潜次数 4000 次是偏安全的 5) 在满足载人潜水器球壳稳定性的要求下, 潜水器疲劳寿命的要求也是满足的 6) 疲劳寿命有限元法充分考虑到结构的几何应力集中等缺陷因素对疲劳寿命的影响 7) 因潜水器做试验的代价较大, 用有限元模拟疲劳计算有显著的优点, 所以疲劳寿命计算结果不但可靠, 而且可以方便地修改参数, 进行结构优化, 提高了计算的准确性和运算效率, 极大程度地降低了人工费用 参考文献 : [1] 李向阳, 刘涛, 黄小平, 等. 大深度载人潜水器耐压球壳的疲劳载荷谱分析 [J].2004,8(1):59-70. [2] 周传月, 郑红霞, 罗慧强, 等.MSC.Fatigue 疲劳分析应用与实例 [M]. 北京 : 科学出版社,2005. [3] 冷建兴. 大深度潜艇结构疲劳强度研究 [D]. 无锡 : 中国船舶科学研究中心博士学位论文,2001. ( 责任编辑 : 汪时美 )