[发明专利]一种球壳表面三维裂纹扩展疲劳寿命的计算方法

说明书

本发明属于深海工程技术，特别是一种球壳表面三维裂纹扩展疲劳寿命的计算方法，包括以下步骤：建立完整球形耐压壳初始几何模型；对球壳模型赋予材料参数、截面属性、划分网格并设置边界和载荷条件；建立初始裂纹模型；裂纹模型赋予材料参数、定义截面属性、划分网格并确定其位置；导入两个模型生成局部含表面裂纹缺陷的完整球壳有限元数值模型；采用M积分法，求得初始裂纹前缘应力强度因子数值；读取疲劳寿命计算模型程序并运行；设置裂纹自动扩展参数；得到基于自定义扩展程序的球壳表面三维裂纹扩展疲劳寿命数值。本发明结合有限元分析软件、断裂力学分析软件对球壳表面三维裂纹扩展疲劳寿命进行计算，并通过数值模拟验证其适用性。

技术领域

本发明属于深海工程技术领域，涉及一种含裂纹缺陷耐压壳的计算方法，尤其涉及一种球形耐压壳表面三维裂纹扩展疲劳寿命的计算方法。

背景技术

深海潜水器是大洋勘查和深海科学研究的重要海洋工程装备，耐压壳是潜水器关键部件和浮力单元，是保证深海潜水器安全和稳定的重要组成部分，保护着内部人员和设备安全。球形壳作为最常见的基础承压壳体单元，具有容重比和承载力良好、强度和稳定性高、结构简单、计算方便等不可替代的优势。

然而，球壳本身是具有多个大开孔(人孔、观察窗、设备孔等)的中厚度壳体，采用半球冲压赤道焊接或多个分瓣组焊的工艺制造成型。在周期性性上浮下潜、深海作业和焊接残余应力下，焊缝缺陷等处极易形成应力集中，萌生疲劳裂纹并发生扩展，这就不可避免降低了载人球壳的疲劳寿命，成为严重的安全隐患。目前针对含裂纹结构疲劳寿命，国内外学者利用模型试验、理论分析、数值模拟等方法开展了深入细致的研究，但多基于疲劳累积损伤准则、传统疲劳扩展理论和一些二维试样标准试验。传统断裂准则是建立在二维穿透直裂纹平板试件基础之上的，判断结构断裂失效的标准是厚度足够大的结构材料在平面应变条件下的断裂韧度，其安全性可靠，但结果偏保守，忽略了厚度效应，结构内部三维约束等效应可能产生的影响，以至于不仅造成材料在使用时的低利用率，还造成结构在设计时可能产生多余的重量。并且球壳表面典型的三维非穿透裂纹，其所受载荷形式、材料参数及裂纹尖端应力状态都区别于标准试件，且现有模型适用对象不够明确，参数众多，计算步骤繁琐，缺乏针对求解球壳表面三维裂纹扩展疲劳寿命的详细过程和计算方法说明。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题和不足,以当代断裂力学损伤容限设计思想和疲劳裂纹扩展理论在疲劳寿命预报方面的优势为基础，结合有限元分析软件ABAQUS、断裂力学分析软件Franc3D和Python编程语言对球壳表面三维裂纹扩展疲劳寿命计算方法作详细说明，并通过数值模拟验证其适用性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种球壳表面三维裂纹扩展疲劳寿命的计算方法，包括以下步骤：

步骤一：在笛卡尔坐标系下建立完整球形耐压壳初始几何模型；

步骤二：对球壳模型赋予材料参数、截面属性、划分网格并设置边界和载荷条件；

步骤三：在笛卡尔坐标系下建立初始裂纹模型；

步骤四：对裂纹模型赋予材料参数、定义截面属性、划分网格并确定其位置；

步骤五：导入完整球形耐压壳初始几何模型和初始裂纹模型，生成局部含表面裂纹缺陷的完整球壳有限元数值模型；

步骤六：采用M积分法，求得初始裂纹前缘应力强度因子数值；

步骤七：读取基于Python语言编写的疲劳寿命计算模型程序并运行；

步骤八：设置裂纹自动扩展参数；

步骤九：得到基于自定义扩展程序的球壳表面三维裂纹扩展疲劳寿命数值。