潛艇結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度研究綜述

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1、文章編號:1006-1088(2004)03-0015-06潛艇結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度研究綜述李良碧,王自力(江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212003)摘要:隨著高強(qiáng)鋼潛艇下潛深度的增加,疲勞問題就更顯突出。本文敘述了潛艇結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度研究的方法及發(fā)展概況;分析了焊接殘余應(yīng)力、介質(zhì)、多裂紋并存對焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響,提出應(yīng)使用有限元數(shù)值模擬計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方法深入研究;最后提出尚需研究的幾個(gè)問題。關(guān)鍵詞:潛艇;疲勞;斷裂;裂紋擴(kuò)展中圖分類號:TB212文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ASummarizationaboutFatigueStren

2、gthResearchofSubmarineStructuresLILiang2bi,WANGZi2li(SchoolofNavalArchitectureandOceanEng.,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,ZhenjiangJiangsu212003,China)Abstract:Thedeeperthesubmarineis,themorethefatigueproblemsare.Inthispaper,thestudymethodsandthedevelopments

3、urveyoffatiguestrengthofsubmarinestructuresaredescribed;Theinfluenceofweld2ingresidualstress,mediumandmultiplecracksonthefatiguelifeofweldingpressurestructuresisanalyzed,furtherstudiesbymumericalsimulationandexperimentalmethodsareadvanced;Atlast,someproblemstobestudi

4、edareadvanced.Keywords:submarine;fatigue;fracture;crackgrowth0引言潛艇的近代發(fā)展趨勢是向大深度、大容積方向發(fā)展。由于正浮力的要求,耐壓殼體結(jié)構(gòu)的重量不能設(shè)計(jì)得過大,最好使其減少到最低限度,所以殼體多選用較高強(qiáng)度的材料。雖然高強(qiáng)鋼的使用帶來了承載能力的增加,但并沒有使其疲勞強(qiáng)度有明顯增高,如美國的HY80和HY100,日本的NS63,前蘇聯(lián)的AK-25等鋼種。為了求得高強(qiáng)度、高韌性、良好的可焊性及抗爆炸等綜合指標(biāo)的較好匹配,其屈服極限與強(qiáng)度極限之比(屈強(qiáng)比)已接近甚至超

5、過019,而一般壓力容器所使用的低碳鋼和低合金鋼的屈強(qiáng)比只有016～017左右。潛艇用鋼一旦進(jìn)入屈服狀態(tài)后,其塑性儲(chǔ)備就大大減小,降低了抵抗疲勞破壞的能力。因此,高強(qiáng)鋼潛艇的疲勞問題就更加突出。我國為大型潛艇研制的高強(qiáng)鋼,屈強(qiáng)比超過0191。所以對高強(qiáng)鋼潛艇的疲勞展開研究具有軍事戰(zhàn)略意義。收稿日期:2003-09-15華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2004年161國內(nèi)外潛艇結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度研究方法概述在船舶及海洋工程方面,由于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼在船舶結(jié)構(gòu)中廣泛采用,以及焊接工藝在造船中的普遍應(yīng)用,造成在船舶結(jié)構(gòu)中不可避免地帶有各種各樣

6、的焊接缺陷,使得船體結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度受到嚴(yán)重影響。潛艇方面同樣存在焊接疲勞裂紋問題,從結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和設(shè)備發(fā)展及布置上的要求出發(fā),耐壓殼體,一般采用由圓柱殼、圓錐殼及球殼等組合而成的組合結(jié)構(gòu),而其殼體結(jié)合多取焊接方法。從部件加工到裝配焊接形成這一建造工藝是很復(fù)雜的,容易產(chǎn)生夾渣、氣孔、咬邊、焊接殘余應(yīng)力及形狀偏差等缺陷,往往容易形成微小裂紋源。此外,在圓柱殼、圓錐殼等焊接結(jié)合處,形狀上是不光順的,即有縱向曲率突變點(diǎn),因而在外載荷作用下便會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力,又由于殼體是雙向應(yīng)力狀態(tài)再加上焊接缺陷及焊接應(yīng)力諸因素疊加在一起,這就造成了

7、疲勞載荷下的最不利地位。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),考慮到許用應(yīng)力的限制,設(shè)計(jì)者容易在這些薄弱環(huán)節(jié)處采取加強(qiáng)措施。這樣,此處的剛度又過大了,過大的結(jié)構(gòu)剛度對疲勞性能同樣是不利的2。金屬的疲勞過程一般包括裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂3個(gè)階段,相比之下失穩(wěn)斷裂階段在疲勞斷裂過程中所占比例較小,裂紋萌生階段和裂紋擴(kuò)展階段與材料以及構(gòu)件的連接方式等有關(guān)。由于焊接構(gòu)件的特點(diǎn),焊接部位很快出現(xiàn)肉眼可見的宏觀裂紋。因此,焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋萌生和形成壽命較短。所以疲勞裂紋擴(kuò)展成為焊接構(gòu)件疲勞過程的主要階段。在循環(huán)載荷作用下,焊接構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)會(huì)過早的產(chǎn)生微小

8、裂紋,這些裂紋很快達(dá)到臨界值而沿殼表面擴(kuò)展。在沿表面擴(kuò)展的同時(shí)也向深度-厚度方向擴(kuò)展,直至穿透殼體而造成疲勞破壞3。由于潛艇錐柱結(jié)合殼隨著潛艇在服役過程中的上浮和下潛,其焊縫處及其附近區(qū)域的受力特征為壓彎組合應(yīng)力,焊趾表面裂紋及其疲勞擴(kuò)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效是該結(jié)構(gòu)破