深海耐压结构残余应力演变及对疲劳失效影响研究

高强度钢在深海耐压结构上的广泛应用，使得结构对焊接残余应力的敏感程度显著增加，极易导致结构在低应力阶段就过早发生疲劳破坏。耐压结构从建造到服役阶段必须承受不断变化的外载荷。在某些情况下，残余应力是在叠加上外载荷后对结构的疲劳特性产生影响的，这时残余应力发生了演变。因此，研究残余应力演变规律及对疲劳失效的影响对保障深海耐压结构的安全是极其重要的。本项目首先研究深海耐压结构焊接残余应力与外载荷之间的变化关系，分别对从建造到服役阶段的耐压结构残余应力演变规律进行研究，得到残余应力随外载荷变化的数学模型；然后研究残余应力演变对深海耐压结构疲劳强度评估的影响，归纳总结出模型几何参数、焊接工艺参数、压力、载荷模式和残余应力演变与疲劳寿命之间的关系，建立疲劳寿命与残余应力变化之间的数学模型，揭示深海耐压结构残余应力演变与疲劳失效之间的内在联系。研究成果可为解决深海耐压结构的疲劳失效问题提供新思路。

残余应力演变规律及对疲劳失效的影响对保障深海耐压结构的安全是极其重要的。本项目给出了满足焊接力学分析精度要求的热源模型和大型高强度钢焊接残余应力高效数值计算方法；建立了与模型几何参数和焊接工艺参数相关的深海耐压结构初始焊接残余应力变化规律和部分预报模型，并用焊接残余应力试验数据进行了部分验证。分别研究了深海耐压结构在水压试验阶段和服役阶段的残余应力演变规律，建立了深海耐压结构残余应力演变规律及部分预报模型。同时进行了试验研究，采用带有初始焊接残余应力的高强度钢典型耐压结构试件模型，研究在不同循环模式外载荷下残余应力的演变规律。最后分析模型几何参数、焊接工艺参数、水压试验压力、下潜深度、潜浮模式、残余应力变化和疲劳寿命之间的内在联系，得到了与之相关的部分疲劳寿命计算公式和考虑残余应力变化的深海耐压结构疲劳强度评估方法，揭示了深海耐压结构残余应力演变与疲劳失效之间的关系。研究成果可为解决深海耐压结构的疲劳失效问题提供新思路。本项目的一些主要研究结论如下：.（1）泵水试验使得锥柱结合壳内表面焊接残余拉应力向压应力转化；较大的泵水压力对内壳的焊接残余拉应力有明显地消除作用；建议水下耐压结构在服役前采取合适的水压进行泵水试验；耐压结构在首次潜浮运动中，锥柱结合壳内表面的残余拉应力会有所增加，并且随着下潜深度的增加，残余拉应力的增加就越明显；锥柱结合壳外表面的残余压应力变化较少；而耐压结构在复杂的潜浮运动中，残余应力改变的程度是由循环载荷中的最高幅值所控制；残余应力改变后，若再经历同等或较小幅值的循环载荷，残余应力将不再继续变化；水下耐压结构下潜的深度对锥柱结合壳内壳的焊接残余拉应力有较大影响；.（2）深海耐压锥柱壳结构的疲劳破坏极有可能发生在凸锥内壳；在内壳的压-压循环中，当叠加了残余拉应力后，其对结构疲劳破坏的作用不亚于在循环拉应力场中；在水下锥柱结构的建造过程中，焊接工艺过程对结构的疲劳强度有着重要的影响；而且耐压结构的泵水过程和下潜深度对结构的疲劳寿命有一定的影响；.（3）实现了焊接残余应力对锥柱耐压结构疲劳强度影响的定量分析；得到了锥 柱耐压结构的疲劳强度与焊接工艺过程、泵水最大压力和下潜最大深度的定量关系；将疲劳寿命与这些影响参数做成了图谱，其有助于在潜艇的建造阶段和服役前就能采取相应的操作和训练步骤来降低关键部位的焊接残余拉应力和提高疲劳寿命。