0 引言

    海洋是生物資源、能源、水資源、金屬資源的重要蘊藏地，是人類可持續發展的資源寶庫。以開發海洋資源為標志的“藍色革命”正在全世界興起。

    載人潛水器是當今深海資源勘探和開發的高技術裝備，蘊含了諸多關鍵技術，其中載人艙的制造就是關鍵的技術之一。載人艙的結構和制作材料的性能直接影響著載人潛水器的壽命，是整個系統關鍵。

    隨著潛水器工作深度的不斷增加，一方面載人艙的設計應力水平必然相應地提高，而另一方面在保證內部設備布置和人員活動空間的情況下，還必須控制其重量和體積。因此球殼多采用強度較高的材料來保證其靜強度的要求，然而這樣有可能造成球殼抗疲勞斷裂性能下降。國內外的基礎研究和應用成果表明，鈦合金不僅比強度高，抗疲勞性能、斷裂韌性優良而且耐海水腐蝕，是制作深潛器耐壓球殼的理想材料。例如，我國“蛟龍號”載人潛水器耐壓球殼就是用Ti-6Al-4V 合金制作的。而4 500 m載人潛水器耐壓球殼的制造，國內企業提供了兩種牌號的鈦合金耐壓球殼，一種是Ti-6Al-4V ELI 合金，另一種是Ti80 合金。

    隨著載人深潛器技術的不斷發展，從事深海研究的技術人員對深潛器載人球殼的設計可靠性評估進行了大量的研究，而對使用可靠性的研究尚還欠缺。國外在深潛器載人艙使用可靠性評估方面公開發表的研究成果很少。近幾年，隨著我國載人深潛器技術的發展，李向陽、李良碧、唐文勇課題組以及本文作者所在課題組等在鈦合金深潛器載人艙疲勞載荷譜、壽命評估方法等方面做了較為深入的研究。本文主要介紹鈦合金深潛器載人艙疲勞壽命預報方法的研究進展。

    1 結構形式

    深潛器載人艙的結構有圓柱形、圓錐形、球形、橢球形，或者組合形。下潛深度大于800 m 的潛水器耐壓殼體大都采用球形結構。目前，世界上已有的深潛器載人艙多是由兩個或多個瓜瓣組合焊接而成的厚壁球殼，且開有出入艙口和觀察窗等。對于焊接結構的載人艙，由于在使用過程中承受低周交變載荷和海水腐蝕的作用，焊縫有可能會成為高應力危險區，首先產生疲勞裂紋并逐漸擴大，最終導致整個載人艙的破壞。因此，對開口區域的結構形式以及焊接工藝提出了很高的要求，同時還需要考慮焊接殘余應力的影響。在過去的研究中，潘濤應用S-N 曲線的疲勞壽命評估方法和斷裂力學理論的疲勞壽命評估方法分別對耐壓殼熱點區域的疲勞強度進行了計算。卞如岡等基于斷裂力學的方法，對耐壓殼體局部的殘余應力對疲勞壽命的影響進行了分析、計算，并通過疲勞試驗對其進行驗證，表明殘余應力加快了裂紋擴展，明顯降低了疲勞壽命。作為焊接結構的載人艙在水下工作時，大部分區域處于受壓狀態，而由于局部設計不合理及制造和焊接工藝帶來的缺陷有可能造成局部出現應力集中和殘余拉應力存在。這些是影響其使用壽命的主要因素。在評估其使用可靠性時，必須考慮。

    2 載荷特征

    目前，世界上使用較為頻繁的載人深潛器是美國的ALVIN 號，在使用頻次和下潛深度上積累了較多的數據。因此文獻對美國ALVIN 號的下潛數據進行了統計分析，得到圖1a。并由載人潛水器所受壓力與下潛深度的變換關系得到我國蛟龍號耐壓球殼載荷頻譜模型（ 圖1b） 。再通過傳統的應力－ 壽命法對其疲勞壽命進行簡單的校核。這種處理方法對多種影響因素的考慮均存在模糊性，尤其是在載荷處理方法上難以描述真實的受載歷史，導致在該框架下保證載人艙的結構可靠性非常困難。

    深潛器下潛深度很深，承受巨大的海水壓力，其它載荷如結構自身重力、內部氣壓等與海水壓力相比可以忽略不計。且由于載人深潛器由于需要執行各種科學探索研究以及打撈救生等任務，必須頻繁的上浮和下潛。每執行一次下潛任務都將承受一次不斷變化的海水壓力作用，而每次下潛的深度和作業的時間會因作業需求的不同而發生變化。作業溫度通常為0 ～ 30 ℃。因此，其載荷特征可以理解為室溫條件下的變幅、循環載荷作用。

    載荷歷程描述對載人艙疲勞壽命的評估和預報有著重要的作用。但在載人球的設計階段，其載荷歷程還是一個未知量，其隨機性的程度難以估量，因此服役壽命難以確定。由于我國缺乏載人艙載荷特征的累積數據，而潛水器與潛艇的服役環境和受力特征相似，所以載人艙的壽命評估多采用潛艇結構的低周疲勞壽命預報方法。載荷歷程用載荷頻譜表達，但目前所做的研究仍不多。工程上為了保險起見，通常考慮最危險的載荷模式，即認為潛水器每次下潛均達到設計的最深深度，將載人艙的載荷歷程簡化為保載時間為Th的常幅載荷。

    3 材料特性

    隨著測量技術的發展和要求精度的提高，人們發現即使在室溫下，某些金屬材料也會發生蠕變變形。載人潛水器用的鈦合金材料在承受較高恒定載荷作用時，變形量會隨著時間的延長而增加到一個較大的值，即存在比較顯著的室溫蠕變現象。

    雖然相對于高溫蠕變該變形量較小，但為了保證潛水器安全也不能忽視。即使在名義應力較低的情況下，應力集中嚴重的區域也可能累積較大的室溫蠕變變形，從而對材料性能產生影響。一旦結構具有小裂紋，保載過程的室溫蠕變行為會在裂紋尖端造成變形，影響其壽命。近幾年，隨著潛水器向深海發展，對材料性能的研究也更加深入。

    3. 1 保載對壽命的影響

    本文作者對Ti-6Al-4V ELI 合金的保載蠕變－ 疲勞特性進行了研究。試驗的保載應力分別是0. 976σs、0. 959σs、0. 941σs、0. 924σs、0. 906σs（ σs為最大應力，850 MPa） ，保載時間分別為2、10、15、20 min，蠕變－ 疲勞試驗在ＲPL 系列電子蠕變疲勞試驗機上進行。主要分析內容和結論如下。

    （ 1） 在蠕變－ 疲勞載荷作用下，應變－ 壽命曲線分為三個階段，即初始彈－ 塑性變形階段、應變的線性累積階段以及不穩定變形階段。

    （ 2） 保載時間為10 min，保載應力分別為0. 976σs、0. 959σs、0. 924σs、0. 906σs， 其應變－壽命曲線見圖2。結果顯示，盡管應力水平變化不大（ 僅為7%） ，但Ti-6Al-4V ELI 合金的應變－ 壽命特征變化較大，表明Ti-6Al-4V ELI 合金在蠕變－ 疲勞載荷的作用下，保載應力水平對其壽命的影響較大。

    （ 3） 保載時間為10 min 的應力－ 壽命曲線見圖3。并比較了保載應力為0. 959σs，保載時間分別為2、15、20 min 的壽命（ 圖3） 。保載時間為15 min 和20 min 的壽命值（ tf） 更加接近保載時間為10 min 的壽命。證明高應力狀態下，保載時間越長，循環載荷對蠕變性能的影響越小。

    （ 4） 對比疲勞與保載疲勞載荷作用下的應力－壽命曲線（ 圖4） ，發現在低應力水平下，保載的影響可忽略； 而在高應力水平下，保載疲勞應力－ 壽命曲線低于疲勞應力－ 壽命曲線，結構壽命評估要充分考慮保載特性。

    3. 2 保載對裂紋擴展速率的影響

    本文作者通過實驗研究了Ti-6Al-4V ELI 合金單次保載、室溫蠕變條件下的應變累積曲線及單次超載下的裂紋擴展速率曲線的變化，確定了材料單次保載的蠕變性能參數以及超載的裂紋擴展速率統一模型參數，作為材料保載影響分析的理論基礎。

    研究過程中假設短時間保載材料不發生裂紋擴展，只發生應變累積。結果顯示在裂紋尖端附近產生了一個拉伸塑性區，這與超載響應類似，將產生裂紋擴展的遲滯效應，如圖5 所示。

    從圖9 可以看出，用ＲSM 法求得響應面方程之后，幾種可靠度計算方法得到的結果彼此之間都符合得較好。該方法可用于其他壽命預報模型的可靠性分析。

    6 結語

    雖然目前國內外對深潛器載人艙疲勞壽命的研究較少，但隨著深潛器下潛深度的增加，潛水器載人艙的安全性越來越受到人們的關注，建立準確的疲勞壽命預報方法尤其重要。通過對鈦合金深潛器載人艙蠕變－ 疲勞壽命預報方法的總結和分析，作者認為：

    （ 1） 為了建立準確的鈦合金深潛器載人艙疲勞壽命預報方法，首先應全面掌握備選鈦合金材料的蠕變和疲勞性能。

    （ 2） 深潛器的載荷歷程及處理方法是決定其壽命預報精確度的主要因素之一。目前學術界仍采用1載人艙的載荷特點，也沒有考慮循環特性和保載特性對載人艙的共同作用。未來隨著人們對小時間域內材料損傷和裂紋擴展特性的深入了解研究建立小時間域內材料損傷模型，代替逐周循環計算模型，能夠更加精確地計算載人艙壽命。

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責任編輯：王元

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