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基于自适应Kriging的耐压球壳可靠性计算方法研究

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舰船科学技术 2024年第6期46卷 20-25页

作者：冯士超万正权李艳青中国船舶科学研究中心深海载人装备国家重点实验室江苏无锡214082

为研究耐压球壳的可靠性计算问题,提出基于自适应Kriging的耐压球壳可靠性计算方法。该方法主要包括在开展试验设计的基础上,基于有限元方法获得样本点对应的承载能力,使用自适应Kriging方法结合ERF学习函数构建结构失效方程,并在此基... 详细信息

为研究耐压球壳的可靠性计算问题,提出基于自适应Kriging的耐压球壳可靠性计算方法。该方法主要包括在开展试验设计的基础上,基于有限元方法获得样本点对应的承载能力,使用自适应Kriging方法结合ERF学习函数构建结构失效方程,并在此基础上开展可靠性计算。耐压球壳计算结果表明,10个验证样本点计算结果偏差均小于0.5‰,该方法具有较高精度和计算效率。基于计算结果提出在开展自适应方法建立Kriging模型过程中,学习函数的收敛指标应随着计算方法的精度进行适当地调整的结论。研究结果可为无失效方程结构的可靠性计算提供参考。

关键词：耐压球壳自适应Kriging 可靠性学习函数收敛指标

32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳焊接和热处理后的残余应力分布规律研究

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32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳焊接和热处理后的残余应力分布规律...

作者：孔玭玭上海海洋大学

学位级别：硕士

水下装备为海洋科学研究提供探测平台,其中,深海潜水器是水下装备的前沿领域,而耐压性能是深海潜水器研制首先要考虑的设计要求。球形耐压壳是深海载人和无人潜水器最为常用的耐压结构形式。钛合金因其优异的性能被广泛应用于各种用途,... 详细信息

水下装备为海洋科学研究提供探测平台,其中,深海潜水器是水下装备的前沿领域,而耐压性能是深海潜水器研制首先要考虑的设计要求。球形耐压壳是深海载人和无人潜水器最为常用的耐压结构形式。钛合金因其优异的性能被广泛应用于各种用途,已成为潜水耐压球壳的首选材料。在制造耐压球壳的过程中,一般是将几个大的瓜瓣形壳体或两个半球形壳体焊接成一个完整的球壳。影响壳体承载能力的焊接残余应力会在焊缝处产生,焊后热处理是降低焊接残余应力的有效手段,评估最终残余应力大小和分布规律对保证耐压球壳服役安全具有重要的意义。本论文以Ti-6Al-4V ELI(800MPa级)耐压球壳为研究对象,进行焊接和热处理后的残余应力分布规律研究。首先,对32 mm厚Ti-6Al-4V ELI平板进行电子束焊接及焊后残余应力测量;其次,利用计算机编程语言Fortran编写了用于数值模拟分析的焊接热源DFLUX子程序,并基于Abaqus有限元模拟软件热弹塑性仿真方法对32 mm厚Ti-6Al-4V ELI平板的电子束焊接过程进行了数值模拟,并获得焊缝处的温度场和残余应力场分布;然后,通过平板残余应力测量值与计算值的对比,验证了非线性有限元模拟的有效性。据此,对32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳赤道焊缝位置处进行了三维非线性数值模拟,计算得到耐压球壳赤道焊缝的焊接温度场及其焊接残余应力场,研究了球壳电子束焊缝处的焊接残余应力分布特征与变化规律。最后,对32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳赤道焊缝的焊接残余应力场进行热力耦合热处理分析,获得应力重新分布规律。根据本论文研究内容,可以得出以下结论:(1)对32 mm厚Ti-6Al-4V ELI板在真空电子束焊接过程中的温度场和应力场进行三维非线性数值模拟,结果显示板材中的残余应力以纵向残余应力为主,且纵向拉伸残余应力集中在焊缝中心线的两侧和靠近焊缝处,残余应力大小和分布与试验结果基本一致;板材焊接过程中,高温区集中在焊缝中心线附近,焊池呈针孔形,模拟焊缝形貌与试验结果基本吻合。对比结果表明了数值模拟方法的合理性,可用于Ti-6Al-4V ELI耐压球壳焊接过程分析。(2)对32 mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳焊接过程中的温度场分布进行数值模拟,结果与复合热源电子束焊接的温度分布规律一致。壳体温度场主要集中在焊接中心线30 mm范围内,在此范围内温度变化明显,焊接温度梯度较大。壳体的其他区域温度较低,温度梯度较小。32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳中垂直于焊缝的纵向和横向残余应力是拉应力,而壳中的横向残余应力是压应力。纵向拉伸残余应力多数大于横向应力,最大纵向拉伸残余应力几乎等同于材料的屈服强度。焊接残余应力主要分布在焊缝附近的一个小区域。32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳的焊接应力梯度和应力随距离焊缝的增加而减小;峰值出现在起点附近,残余应力水平增加。(3)在焊后热处理期间,32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳的横向残余应力和纵向残余应力在升温阶段持续下降,赤道焊缝处和附近的残余应力明显下降,差异减小,变得高度均匀,32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳的总体残余应力重新分布。耐压球壳外表面的焊缝,纵向残余应力为拉伸状态,横向残余应力为压缩状态;耐压球壳内部焊缝区的纵向和横向残余应力均为拉伸,且纵向拉伸残余应力大于横向拉伸残余应力。(4)在对32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳进行热处理时,保温热处理达到蠕变激活温度时,使得焊接残余应力得到充分消除,升温速率与保温时长在焊接残余应力的消除中影响作用较小。因此,在有限元仿真中,为提高计算效率,可提高升温速率,减少保温时间,而实际制造中,在保证热处理对结构部件的稳定情况下,也可适当缩短保温时间,提高加热速率和冷却速率。

关键词： Ti-6Al-4V ELI 耐压球壳赤道焊接电子束焊接残余应力

焊接与退火残余应力对深潜器耐压球壳疲劳寿命的影响

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焊接与退火残余应力对深潜器耐压球壳疲劳寿命的影响

作者：张宇翔重庆交通大学

学位级别：硕士

耐压球壳作为深海载人潜水器的重要组成部分,起着保障科研人员、设备安全以及承载海水压力的作用,其性能直接影响了深潜器整体的结构安全性。耐压球壳是复杂的焊接结构,焊缝区域存在较大的残余应力,在服役过程中,焊接残余应力与深海高... 详细信息

耐压球壳作为深海载人潜水器的重要组成部分,起着保障科研人员、设备安全以及承载海水压力的作用,其性能直接影响了深潜器整体的结构安全性。耐压球壳是复杂的焊接结构,焊缝区域存在较大的残余应力,在服役过程中,焊接残余应力与深海高压强耦合作用下,极易导致裂纹萌生。因此,评估耐压球壳焊接残余应力分布规律,优化退火工艺参数以消减残余应力,对提高耐压球壳疲劳寿命具有工程指导意义。为了保证焊接残余应力评估模型的准确性,本文采用锥形、双椭球组合热源模型,对TC4钛合金对接板电子束焊接过程进行模拟,结合实验数据对熔池样貌和残余应力分布曲线进行了对比,结果表明,该焊接模型可以准确模拟电子束焊接过程,且焊接残余应力计算结果较为准确。本文结合TC4钛合金耐压球壳焊接和去应力退火过程实际工况,对TC4钛合金耐压球壳焊接过程和去应力退火过程开展数值模拟,分析焊接过程中温度场变化规律及其对应力场分布的影响,探寻耐压球壳表面各焊缝焊接与退火后的残余应力分布规律,对比不同退火温度、升温速率、保温时间对焊接残余应力的消减效果,结合退火过程应变的演化规律探讨退火消减残余应力的机理。研究结果表明:焊接残余拉应力与压应力在耐压球壳表面沿焊缝交替分布,出入舱口焊缝处残余拉应力较大,其值约1100MPa,耐压球壳需采取应力消除措施;经过500℃保温2h的退火处理,最大残余拉应力下降了49.5%,退火温度对于残余应力的消减效果影响较大,升温速率和保温时间对于残余应力的消减效果影响不明显;残余应力发生消减主要在退火工艺中的两个阶段,在升温阶段材料屈服强度快速下降、弹性变形变化缓慢导致弹性应变转化为塑性应变,在保温阶段蠕变效应导致弹性应变转化为蠕变应变,弹性应变的减小致使残余应力得到消减。基于线性累积损伤理论,将耐压球壳退火后的残余应力与深海压强耦合,研究深潜器耐压球壳在该极限服役工况下的应力分布规律,分析残余应力对其疲劳寿命的影响。结果表明,耐压球壳最易出现裂纹的位置在出入舱口焊缝焊趾区域,焊接残余应力会导致耐压球壳疲劳寿命大幅下降,经过退火处理其疲劳寿命有明显提升,焊接残余应力降低耐压球壳疲劳寿命的影响不可忽略,退火消减焊接残余应力的工艺必不可少。

关键词：残余应力耐压球壳数值模拟退火疲劳寿命

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有开孔加强结构耐压球壳稳健性优化

哈尔滨工程大学学报 2016年第12期37卷 1613-1618,1637页

作者：刘峰韩端锋姚军哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001

为提高有开孔加强结构耐压球壳的稳健性,本文采用最优拉丁超立方方法进行了样本点的选取,进行了设计变量灵敏度分析。在降低了设计变量维数的基础上,重新选择样本点进行了计算,采用响应面模型进行了样本点的拟合,得到了满足工程要求的... 详细信息

为提高有开孔加强结构耐压球壳的稳健性,本文采用最优拉丁超立方方法进行了样本点的选取,进行了设计变量灵敏度分析。在降低了设计变量维数的基础上,重新选择样本点进行了计算,采用响应面模型进行了样本点的拟合,得到了满足工程要求的近似模型。研究了稳健性和蒙特卡洛抽样,考虑了设计过程中的不确定性,建立了有开孔加强结构耐压球壳多响应多目标稳健性优化模型,采用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行了优化求解。相比初始方案,3σ和6σ的方案减重效果分别为141.8171、81.004 kg,但6σ方案的稳健性要明显优于3σ方案。

关键词：开孔加强耐压球壳灵敏度稳健性蒙特卡洛近似模型优化模型

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基于蠕变特性的耐压球壳多目标优化

船舶力学 2020年第3期24卷 362-370页

作者：黄浔韩端锋赵方瑜刘峰哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001 哈尔滨工程大学核科学与技术学院哈尔滨150001

本文针对载人潜器耐压球壳,在考虑了观察窗蠕变效应的基础上,设计了参数化计算流程,进行了设计变量的灵敏度分析,采用径向基神经网络建立了近似模型。进一步以临界应力、临界压力为约束,以球壳质量、主侧观察窗蠕变位移为目标,建立了多... 详细信息

本文针对载人潜器耐压球壳,在考虑了观察窗蠕变效应的基础上,设计了参数化计算流程,进行了设计变量的灵敏度分析,采用径向基神经网络建立了近似模型。进一步以临界应力、临界压力为约束,以球壳质量、主侧观察窗蠕变位移为目标,建立了多目标优化模型,采用第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行了求解。结果表明:在耐压壳体质量增加幅度不大的情况下,观察窗蠕变变形优化效果明显,大大提高了载人潜水器的安全性,为载人潜水器耐压球壳设计提供了参考。

关键词：载人潜器观察窗蠕变耐压球壳多目标优化

外压法调整耐压球壳焊接残余应力的数值模拟与试验研究

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船舶力学 2018年第8期22卷 1020-1027页

作者：张健刘红旭昌满卞如冈江苏科技大学江苏镇江212003 中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

深海耐压球壳经过外压作用后结构的焊接残余应力会发生改变,文章首先运用ANSYS的APDL语言编写了深海耐压球壳人孔区域焊接残余应力数值模拟程序,对耐压球壳的初始残余应力和经过外压试验后的残余应力的变化进行计算;然后,对加工完成的... 详细信息

深海耐压球壳经过外压作用后结构的焊接残余应力会发生改变,文章首先运用ANSYS的APDL语言编写了深海耐压球壳人孔区域焊接残余应力数值模拟程序,对耐压球壳的初始残余应力和经过外压试验后的残余应力的变化进行计算;然后,对加工完成的试验模型采用X射线无损检测方法对该深海耐压球壳人孔区域的初始残余应力和经过外压试验后的残余应力进行测量。数值模拟结果与试验结果表明两者基本吻合;随着外压增加,最大残余拉应力和压应力都不断减小。该文研究结果为合理运用外压法调整焊接残余应力提供了依据。

关键词：耐压球壳焊接残余应力外压试验

考虑实测初挠度、厚度和残余应力等缺陷的耐压球壳极限承载力分析

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船舶力学 2019年第11期23卷 1331-1338页

作者：张震王永军蔡新钢黄进浩潘广善秦天中国船舶科学研究中心

由于其优良的承压性能,球壳常被用作深海设备的耐压结构,而耐压球壳极限承载力计算是球壳结构设计过程中的重要环节。文章在非线性屈曲分析有限元法的基础上,提出了考虑实测初挠度、厚度和残余应力的极限承载力计算方法,并加工了直径100... 详细信息

由于其优良的承压性能,球壳常被用作深海设备的耐压结构,而耐压球壳极限承载力计算是球壳结构设计过程中的重要环节。文章在非线性屈曲分析有限元法的基础上,提出了考虑实测初挠度、厚度和残余应力的极限承载力计算方法,并加工了直径1000 mm的耐压球壳进行了试验验证。结果表明:经过冲压、焊接等工艺制造的球壳具有明显的初始缺陷,计算过程中必须考虑极限承载力;残余应力中影响极限承载力的主要因素是压应力成分;基于实测数据的非线性屈曲分析方法计算结果与试验值接近,且能够粗略预报结构破坏位置,具备一定的适用性。

关键词：耐压球壳极限承载力初挠度厚度残余应力

焊接残余应力对深潜器耐压球壳承载能力的影响

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船舶力学 2017年第7期21卷 864-872页

作者：徐磊黄小平王芳上海交通大学海洋工程国家重点实验室高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240 上海海洋大学上海深渊科学工程技术研究中心海洋科学学院上海201306

耐压球壳通常采用焊接方式将两个半球壳连接成整球,在焊缝处产生的接近材料屈服强度的焊接残余应力对球壳的承载能力有多大的影响,是否需要做焊后消除残余应力处理,将直接影响球壳的安全性和生产成本。而现有对球壳极限强度计算,无论是... 详细信息

耐压球壳通常采用焊接方式将两个半球壳连接成整球,在焊缝处产生的接近材料屈服强度的焊接残余应力对球壳的承载能力有多大的影响,是否需要做焊后消除残余应力处理,将直接影响球壳的安全性和生产成本。而现有对球壳极限强度计算,无论是理论计算还是数值计算,均只考虑了球壳初始缺陷中的几何缺陷对球壳极限强度的影响。该文将在现有的耐压壳极限强度设计公式基础上,采用数值计算的方法对耐压球壳的焊接过程进行数值模拟,得到焊后球壳的焊接残余应力分布,并在此基础上考虑残余应力对球壳极限强度的影响,结果表明,对于大潜深厚球壳,焊接残余应力对耐压球壳承载能力影响不显著,为大深度潜器耐压球罐是否需做焊后消除残余应力处理提供了一定的参考依据。

关键词：耐压球壳焊接残余应力极限强度

考虑初始形状影响的耐压球壳临界载荷简化计算公式

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船舶力学 2014年第5期18卷 557-564页

作者：王丹万正权中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

文章研究了在载人深潜器结构中承受高压、保障潜员安全的耐压球壳。文中通过对经典理论公式的分析和合理假设,引入几何修正系数k细化了球壳临界载荷计算表达式,该几何修正系数体现了球壳本身的初始形状,如初挠度、局部不圆度及板厚减薄... 详细信息

文章研究了在载人深潜器结构中承受高压、保障潜员安全的耐压球壳。文中通过对经典理论公式的分析和合理假设,引入几何修正系数k细化了球壳临界载荷计算表达式,该几何修正系数体现了球壳本身的初始形状,如初挠度、局部不圆度及板厚减薄等因素对其的影响。并通过回归分析得到计算数据与试验值吻合较好。同时,运用该公式对钛合金球壳临界载荷进行预报,同样有较高精度。

关键词：耐压球壳临界载荷载人潜水器初挠度