[发明专利]一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法

说明书

本发明涉及一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，包括：步骤1、确定疲劳试验节点及实船尺寸；步骤2、计算缩尺比：根据过渡锻环节点最大直径2R_2S以及最大加载尺寸D确定模型径向缩尺比1:a，步骤3、计算模型尺寸：保持模型整体轴向长度、肋距C、第一半锥角α₁以及第二半锥角α₂与实船一致；模型圆台径向尺寸R_1M和R_2M，以及轴向尺寸均按缩尺比1:a缩小；模型过渡圆柱径向尺寸R_2M按缩尺比1:a缩小，且轴向延长L_M；步骤4、模型各部位壳板厚度按真实壳板厚度选取，节点焊接工艺采用与耐压结构相同的焊缝形式和成型尺寸。本发明方法设计的试验模型既能相对真实的反映实际结构节点最大应力处的复合应力状态，又能体现出其疲劳破坏机制。

技术领域

本发明属于海洋装备耐压结构工程强度及疲劳联合试验模型设计领域，具体涉及一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法。

背景技术

在海洋装备耐压结构工程中常常会用到锥形壳体和圆柱形壳体的连接结构。而由于径向薄膜应力在锥柱交接处的不平衡，将导致锥柱结合部分产生很大的局部应力，过渡锻环是一种运用较为普遍的加强措施。过渡锻环自身的强度与制造工艺密切相关，并且随着高强材料在耐压结构工程中的应用越来越广泛，其高应力状态对过渡锻环结构的强度及疲劳影响不容忽视。

其中，疲劳问题是冶金因素与力学因素对结构综合作用的结果，具体到结构工程中，主要体现在焊接与受力两个方面。从焊接角度出发，焊缝初始缺陷的尺度、焊接接头的金相组织和焊接热影响区的尺寸范围都将对结构节点的疲劳特性产生影响，而决定上述影响因素的，是壳板厚度、焊缝形式和尺寸、以及焊接方法。从受力角度出发，结构节点最大应力点处的局部复合高应力状态是其疲劳性能的控制因素。

目前对于结构节点疲劳寿命研究主要采用试验方法，试验模型分为实尺度模型与缩比模型两种。实尺度模型具有真实反映结构力学性能等优点，但其造价高、工期长以及空间、尺寸受到加载装置限制等缺点也不容忽视。因此，采用结构相似定理的缩比模型得到广泛的应用。

过渡锻环强度及疲劳联合试验模型设计最关键因素在于：既要真实反映过渡锻环结构强度与制造工艺的联系，又要体现出锥柱结合节点疲劳本质及内在机理，实现对焊接和受力因素的准确模拟。由于必须反映过渡锻环实际壳板厚度、焊接影响以及节点最大应力点处复合应力状态，若采用对结构板厚缩尺的缩比模型试验对过渡锻环结构的强度及疲劳影响进行研究，往往无法既真实反映过渡锻环结构强度与制造工艺的联系，又体现出锥柱结合节点疲劳本质及内在机理，实现对焊接和受力因素的准确模拟。因此完全几何缩比模型将不再适用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有对板厚进行缩比的完全几何缩比模型无法真实反映试验过程中强度与疲劳特性的问题，提供一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，该方法设计的试验模型能够实现对过渡锻环焊接和受力因素的准确模拟，以解决上述问题。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种过渡锻环等厚缩比强度及疲劳联合试验模型设计方法，针对耐压结构锥柱结合部分过渡锻环进行等厚缩比设计，所述过渡锻环包括同轴连接的过渡圆柱和圆台，所述圆台前端与耐压结构圆锥连接，所述过渡圆柱后端与耐压结构主体圆柱连接；所述设计方法包括以下步骤：

步骤1、确定疲劳试验节点及实船尺寸：

根据有限元分析结果，选取其锥柱结合过渡锻环最高应力节点作为疲劳试验节点；

实船尺寸包括：所述圆锥的第一半锥角α₁，底部半径R_1S；所述圆台的第一半径R_1S，第二半径R_2S，第二半锥角α₂；所述主体圆柱半径R_2S，肋距C，板厚T；