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DIC技术用于潜水器蛋形压力壳模型疲劳裂纹扩展特性分析

实验背景

随着海洋研究和能源勘探走向深海,对潜水器压力壳的结构和性能要求更严格。相较于球形压力壳,蛋状压力壳对初始几何缺陷和材料塑性的敏感性明显降低。流线型的外形有助于减少阻力和导流,增加机动性,在浮力储备和空间利用率方面也更优。

当压力壳在深海中工作时,裂纹会在残余的作用下传播拉应力和深海压力的共同作用,最终会导致压壳的失效。因此,为了保证承压壳在役中的安全,采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统,基于3D-DIC技术分析分段蛋形承压壳的疲劳裂纹扩展特性至关重要。

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实验内容

通过建立18Ni(250)蛋形压力壳的精确裂纹扩展速率模型,采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统,基于三维数字图像相关法(DIC),三维DIC技术进行疲劳裂纹扩展测试,分析疲劳扩展演化特征和扩展速率,为蛋形压壳疲劳损伤预测和安全运行评估提供了参考。

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卵状壳的无模自由液压成形示意图(a)曲率不等的曲面;(b)焊接预制件;(c)无模自由液压成形
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分节的蛋状压力壳

分段卵状压力壳应力分析

为了模拟蛋形壳成形的实际应力,首先将焊接残余应力施加到预成形件上,在无模自由液压成形后对残余应力进行重新分布。然后,对水压下的无模自由液压成形模型进行了模拟,得到了在役蛋形壳的应力分布。

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不同内压下蛋形压力壳的最大变形

由于弯曲应力对裂纹扩展的影响显著,主要关注蛋壳沿旋转轴(x 轴)方向的应力。下图为蛋壳赤道锥在x轴方向上的应力分布云图,压力壳的外表面承受拉应力,内表面承受压应力,不同焊缝的应力不同。

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蛋形压力壳在x轴方向上的应力云图

下图为A-B-C-D-E处沿厚度方向的应力值。相同外载荷作用下,外表面最大拉应力为D、714.7 MPa,其次为 C、E,内表面最大压应力为C、D,1335.1 MPa、1103.4 MPa。由于拉应力更容易导致裂纹萌生和扩展,因此在D焊缝处更容易发生疲劳破坏。

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焊缝沿厚度方向的应力;厚度为 0in-表示外表面

卵状压力壳的疲劳裂纹扩展

标准疲劳试验获得的疲劳性能参数基于穿透裂纹的二维疲劳扩展理论,而蛋壳表面裂纹为非穿透性三维裂纹。实验从等效结构和应力场的角度,设计分节压力蛋壳的等效试样,并利用该等效试样进行疲劳裂纹扩展试验,采用三维数字图像相关法(DIC),测量疲劳裂纹演化过程,得到裂纹扩展速率。

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模型的几何形状(a)焊缝D处结构示意图;(b)等效试样的结构示意图

采用电液伺服疲劳试验机对等效试样进行轴向压缩疲劳裂纹扩展试验,采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量分析系统,基于三维数字图像相关法(DIC),获取裂纹扩展数据。新拓三维DIC技术设备位移测量精度小于0.01 mm,三维DIC技术测量精度小于30微应变。选择焦距为50 mm的透镜。DIC技术设备采集时间间隔为10 s/张。图像分辨率为425 PPI。

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疲劳裂纹扩展试验-三维DIC技术设备

疲劳试验结束后,用新拓三维DIC软件对数据进行处理,自动计算工程应变。在DIC测量块中布置虚拟伸量仪,获得伸量仪张量,拟合伸量仪张量-位置曲线,计算裂缝长度a。结合试验机的工作频率和DIC技术设备图像采集的时间间隔,得到疲劳循环次数N。

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等效试件裂纹扩展速率试验结果
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不同裂纹形状比的疲劳裂纹扩展a-N曲线

从DIC软件分析可以看出,裂纹形比对等效试样的疲劳寿命有显著影响。随着裂纹形比的增大,裂纹疲劳扩展寿命迅速降低。

将4种不同形状比下的裂纹扩展速率和应力强度因子幅值绘制到同一对数坐标上,同时对非共存扩展速率曲线进行处理,得到疲劳裂纹扩展速率随有效应力强度幅值的曲线。

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等效试样疲劳裂纹扩展速率曲线。(a)加工前曲线;(b )加工后曲线

蛋形压力壳的腐蚀疲劳寿命预测

不同裂纹形比(c/a)裂纹的疲劳寿命变化较大,这与等效试件的疲劳试验结果一致。

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疲劳裂纹扩展 a-N 曲线

从下图可看出,当应力强度因子达到18Ni(250)的断裂韧性时,表面裂纹沿表面裂纹方向演化为穿透裂纹,裂纹面向等效试样侧面延伸。

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3 号疲劳裂纹扩展路径。(a)数值计算中沿长度的裂纹扩展路径;(b )数值计算中裂纹沿 深度扩展 路径;(c)试验中裂 纹沿长度 扩展路 径;(d)试验中裂纹沿深度扩展路径

残余应力沿厚度分布并不均匀。在残余拉应力的作用下,裂纹沿焊趾向下延伸。随着裂纹深度的增加,残余拉应力减小。当应力幅值裂纹尖端的强度因子小于阈值时,裂纹不会扩展,这与等效试样疲劳试验结果一致。

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等效试样的焊接残余应力沿厚度分布

实验结论

针对蛋形压壳在制造和服役过程中焊缝趾部容易产生疲劳裂纹的特点,采用新拓三维XTDIC三全场应变测量系统,DIC技术结合疲劳试验机,结合分析软件研究典型蛋形压壳结构等效试样的裂纹扩展特征。

(1)对蛋状压力壳进行了数值模拟,结果表明在海水外压力和焊接残余应力的作用下,蛋状压力壳外表面承受拉应力,内表面承受压应力。焊缝D外表面最大拉应力为714.7 MPa。

(2)通过对蛋形压力壳等效试样的试验,得到了不同形状比下的裂纹扩展速率曲线。对等效试件的疲劳寿命进行了数值模拟,裂纹扩展路径与实验结果基本一致,说明了数值模型的正确性。

案例摘自:【Zhu Yongmei,Jiangsu University of Science and Technology,Fatigue crack propagation characteristics of segmented egg-shaped pressure shells】


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