超高壓深海環境下多結構并行疲勞試驗技術研究

謝曉忠，陳沙古，高原，黃如旭，李艷青，胡嘉駿

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

材料疲勞是一種結構在循環載荷作用下出現失效的現象[1]，根據產生裂紋所需的載荷循環次數，將疲勞分為低周疲勞（LCF）和高周疲勞（HCF）。在疲勞性能試驗中，除了典型節點模型試樣試驗外，還包括大型模型和工藝模型的外壓疲勞試驗，后者比試棒疲勞試驗更符合結構實際受力狀態[2]，同時還可以考慮裝配約束、焊接殘余應力及初始缺陷等加工工藝對水下耐壓結構疲勞性能的影響[3]，因此是考核疲勞性能和結構安全性最有效的手段[4-5]。

載人艙球殼作為全海深載人潛水器最關鍵的部件[6-18]，其設計工作深度H=11 000 m，不僅為駕駛員和科學家提供了深海作業空間，也為非耐壓儀器設備提供了常壓工作環境[19]。在潛水器下潛及上浮過程中，載人艙球殼需承受交變海水壓力，隨著使用次數的增加，可能發生低周疲勞破壞[20-21]，對結構長期安全性而言是一個巨大考驗。在超高壓深海環境模擬裝置（又稱“壓力筒”）中，開展靜水外壓疲勞試驗是模擬載人艙球殼潛浮作業受力狀態、進行疲勞校核和安全性評估的重要手段，但頻繁改變壓力筒內壓，會帶來壓力筒的疲勞問題。同時，針對2 只載人艙球殼縮比模型（5#球殼、6#球殼），若分別進行疲勞試驗，將耗費大量人力、物力[22]。基于上述難題，本文提出一種計及超高壓深海環境下采用內外壓差法開展的多結構并行疲勞試驗技術，并用于指導完成了國內首例超高壓雙球串聯疲勞試驗，取得了顯著效果。

1 內外壓差法試驗原理及可行性分析

1.1 試驗原理

載人艙球殼5#、6#縮比模型（結構如圖1 所示）疲勞試驗在中國船舶科學研究中心水下工程結構試驗室的2016 壓力筒內進行。為避免在球殼外壓疲勞試驗過程中壓力筒承受交變內壓，對壓力筒帶來損傷，將壓力筒內部保持球殼設計壓力P=115 MPa 恒定，控制球殼內部壓力按0→P→0 遞增（減），通過改變內外壓差實現疲勞加卸載[23]，試驗原理如圖2 所示。

圖1 載人艙球殼結構Fig.1 Structure chart of capsule shell

圖2 循環載荷實施原理Fig.2 Principle of cyclic loading

1.2 可行性分析

采用上述保持模型外壓不變、內壓改變形成壓差，以實現疲勞加卸載與直接改變外壓的疲勞加卸載方式（如圖3 所示），模型結構應力存在一定差異。

圖3 模型球承受載荷情況Fig.3 Load on the model ball:a) direct external pressure;b) internal and external pressure difference

根據拉梅公式[24]，極坐標下僅承受外壓時，球殼的應力解為：

式中：σ1θ(r)為球殼周向應力；σ1r(r)為球殼徑向應力。

同時承受內、外壓時球殼的應力解為：

式中：σ2θ(r)為球殼周向應力，σ2r(r)為球殼徑向應力。

根據壓力平衡關系：

應力差異引起的誤差為：

由《全海深潛水器耐壓殼體設計計算規則》[25]（簡稱“計算規則”）可知，極坐標下僅承受外壓時，球殼內、外表面環向應力的解為：

式中：σi為球殼內表面環向應力；σo為球殼外表面環向應力。

僅承受內壓時，球殼內、外表面環向應力的解為：

通過對比分析可以發現，在同一種加壓方式下，采用拉梅公式、計算規則中公式計算所得的球殼外表面環向應力結果接近。當直接外壓法的球殼外部壓力與內外壓差法的球殼內外壓差相等時，壓差法計算所得的球殼外表面環向應力結果較直接外壓法大，對結構疲勞壽命存在不利影響，對研究結果來說是偏于安全的。這種差異隨壓差的增大迅速減小，因此試驗時忽略內外壓差變化對球殼環向應力強度的影響是合理的。

對于球殼徑向應力，由于內外壓直接作用于球殼內外壁，通過內外壓相等來模擬外壓為0 時的工況，在內壁、外壁上的徑向力是不同的。對于直接外壓法，球殼內壓保持為 0 不變，改變球殼外壓（0→115 MPa→0），當外壓為0 時，徑向力沿厚度方向均為0；當外壓為115 MPa 時，徑向力沿厚度方向分布為最小值-115 MPa，最大值0。此時若按“線性分布原則”進行受力分析，受力沿厚度分布如圖4a 所示。對于內外壓差法，在球殼外壓取115 MPa 不變的情況下，改變球殼內壓（0→115MPa→0），沿球殼厚度方向的徑向力分布有以下特征：當內壓為0 時，徑向力沿厚度方向分布為最小值-15 MPa，最大值0；當內壓為115 MPa 時，徑向力沿厚度方向均為-115 MPa，球殼徑向力最大值一直保持在115 MPa 這一水平。從考核結構疲勞壽命角度看，內外壓差法徑向力的變化特征對結構疲勞壽命存在不利影響，采用該種方法進行加卸載，得到的數據是保守考慮，對研究結果來說是偏于安全的。綜述所述，在該模型球殼尺寸參數和試驗壓力下，采取內外壓差來模擬模型外壓交變載荷的疲勞試驗原理合理可行。

圖4 球殼徑向力對比Fig.4 Comparison of radial forces of spherical shells:a) direct external pressure;b) internal and external pressure difference

2 多結構并行疲勞試驗方法及裝配方案

2.1 試驗方法

載人艙球殼5#、6#縮比模型疲勞試驗分為7 個階段，包含半球對接縫殘余應力測量、典型位置應變測量、焊縫無損檢測、球殼形狀測量等研究內容。為保證2 只球殼試驗環境的一致性，對比2 只球殼疲勞特性的差異，綜合考慮試驗特點和時間周期。本文擬將5#、6#球殼串聯，同步開展疲勞試驗，如圖5 所示。整個試驗系統由數據采集系統、疲勞加載系統、壓力筒加壓系統、載人艙球殼5#—6#縮比模型、試驗工裝、硬管、壓力表、壓力傳感器、2016 壓力筒等組成。

試驗中所有壓力、應變數據均由UCAM 數字式靜態數據采集系統采集，并傳至計算機進行實時處理。測量系統由電阻應變片、壓力傳感器、主機系統（應變測量儀和數據處理分析儀）、電纜、附件等組成，測量系統原理如圖6 所示。應變片將所測區域的結構應變轉換成電阻變化信號，該電阻變化信號通過電纜傳入應變測量儀放大，應變測量儀將應變數據傳給數據處理分析儀記錄并進行數據處理，實時顯示應變、應力值。

圖6 數據采集系統結構Fig.6 Structure of data acquisition system

考慮到壓力筒內部的連通管路承受外部高壓，選用硬管作為加卸載管路，同時盡量減少連接轉接頭的使用，以降低滲漏風險。硬管彎折尺寸與工裝尺寸及球殼實際固定位置協調，以保證裝配成功。壓力筒外部連通管路也均采用高壓硬管進行連接。

疲勞加載系統經由2016 壓力筒下蓋與硬管1 連接，球殼模型各測點的應變片引出導線，經由壓力筒上蓋的水密接插件與數據采集系統相連。為實時監控球殼內外壓力，設置壓力表1 和壓力傳感器1 與壓力筒內部連接，監測球殼外部壓力；壓力表2、壓力傳感器2 經由壓力筒下蓋與球殼連接，監測球殼內部壓力。為實現對球殼內部進行加卸壓，需在球殼開孔封板上開相應的工藝孔。5#球殼出入艙艙口蓋上需開3個工藝孔，其中一個與硬管1 連接，一個與監測球殼內部壓力的壓力表2 相連，另外一個用硬管與6#球殼連通。6#球殼出入艙艙口蓋上需開2 個工藝孔，其中一個用硬管與5#球殼連接，另外一個用于注水時將球殼內部空氣排出，待有水溢出后由悶頭密封，出入艙艙口蓋開孔示意圖如圖7 所示。

表1 球殼外表面環向應力計算對比Tab.1 Calculation and comparison of circumferential stresses on outer surface of spherical shell

表2 球殼應力測量結果匯總Tab.2 Summary of spherical shell stress measurement results

圖7 球殼出入艙艙口蓋開孔示意圖Fig.7 Diagram for opening of hatch cover of spherical shell

試驗工裝需具備足夠的強度，每層蓋板能夠承受單個球殼注滿水后的重量，上蓋板及吊耳能夠承受整個工裝及2 個注滿水的球殼的總重量。同時，工裝尺寸需兼顧球殼尺寸及壓力筒內徑，以保證能夠順利裝配、安全吊裝。

2.2 裝配方案

為保障試驗準備工作和安裝工作有序進行，規定裝配程序如下：

1）將硬管6、硬管7 通過2016 壓力筒下蓋穿艙件穿入筒內，并分別與硬管1、硬管5 進行裝配，將硬管1、硬管5 貼近壓力筒內壁，防止吊裝試驗支架時與其發生碰撞。

2）完成應變測點傳感器布置后，將球殼與試驗工裝裝配固定，5#球殼與6#球殼用硬管3 連接，由5#球殼出入艙口蓋剩余通孔向球殼內注水，待6#球殼出入艙口蓋剩余通孔有水溢出時，將該通孔用悶頭封閉，將5#球殼出入艙口封板上的硬管2、4 安裝到位。

3）將應變傳感器傳輸導線牢固布置在試驗工裝上。

4）將球殼與試驗工裝整體吊入壓力筒內，拆除試驗工裝上蓋板，將硬管4 與硬管5 用轉接頭連接，由硬管2 對球殼進行注水，待硬管7 上端有水溢出，安裝壓力表2 和壓力傳感器2，然后將硬管2 與硬管3 用轉接頭連接，完成管路的全部裝配工作，壓力筒內部管路裝配如圖8 所示。

圖8 壓力筒內部管路裝配Fig.8 Piping assembly inside the pressure cylinder

5）對壓力筒內部注水，待水位接近壓力筒側壁臺階位置處時，停止注水。

6）將應變測量導線由上蓋穿艙件穿出壓力筒，將壓力筒封閉，用壓力筒加壓系統對壓力筒進行注水，待硬管8 有水溢出，停止注水，安裝壓力表1 和壓力傳感器1。

7）連接數字應變儀及UCAM 轉換箱，調試后待試驗。

3 試驗方法驗證

試驗開始時，由壓力筒加壓系統對壓力筒進行加壓，待球殼外壓升至P，關閉截止閥及壓力筒加壓系統，啟動疲勞加載系統，每一個加卸載循環包括加壓段、高壓穩壓段、卸壓段、低壓穩壓段共4 個階段。實際操作過程中，為避免因球殼內壓瞬時值大于外壓，導致觀察窗固定螺栓受損，設置壓差范圍為0.5～115 MPa。同時，為縮短模型內壓低壓段降壓時間，設置外壓保持118 MPa 恒定不變，模型內部施加3～117.5 MPa 的內壓，每一循環耗時7 min 左右，如圖9 所示。

圖9 疲勞模型內壓加卸載過程Fig.9 Loading process inside the fatigue model

試驗分7 個試驗段進行，每個試驗段1 000 個周期。經過驗證，該試驗方法和裝配方案可靠、易行，能夠實現雙球結構的串聯并行試驗，使試驗總時長減半，極大減少人力、物力、時間成本。裝配過程能夠有效避免壓力環境中空氣的混入，進一步排除空氣對加卸載周期帶來的不利影響。試驗方法可以保證2 只球殼處于完全相同的壓力試驗環境，避免試驗環境差異對球殼結構疲勞特性的影響。試驗方法可以同步反饋2 只球殼相同位置處的應變狀態，實時對比分析其應力水平。降低了對壓力筒的損傷，使其服役年限不受影響。試驗現場照片如圖10 和圖11 所示。

圖10 球殼裝配吊裝Fig.10 Assembly and hoisting of spherical shell

圖11 疲勞管路裝配完畢Fig.11 Fatigue piping completed

由于焊縫、焊趾附近區域存在較高的峰值應力，易萌生疲勞裂紋，并引起裂紋擴展，從而影響結構的安全性[11]，故試驗過程中在焊縫兩側設置應變測點，用于監測球殼在單次疲勞加卸載周期內該部位的結構應力。主要布片位置包括半球對接焊縫處、出入艙口焊縫處和觀察窗焊縫處，測點位置如圖12 所示。

圖12 球殼應變測點布置Fig.12 Arrangement of spherical shell strain measuring points

在疲勞試驗第二階段前，第三階段前、后，第五階段前、后，均在單次疲勞循環中對球殼應變進行測量。根據Hooke 定律，考慮消除應變片壓力的效應[26]，計算最高壓力下的球殼外表面測點應力，見式（7）[27]。

式中：P為靜水外壓；ε為結構應變；σ為結構應力。

歷次測量結果匯總見表2，可以看出，半球對接縫處測點經線方向應力水平略低于緯線方向應力，二者數值接近。出入艙口焊縫和觀察窗焊縫處測點經線方向應力水平均高于緯線方向應力。疲勞試驗各階段球殼焊縫區域結構應力基本保持穩定。

4 結論

本文建立了一種超高壓深海環境下采用內外壓差法開展多結構并行的疲勞試驗技術，并用于指導完成了國內首例超高壓雙球串聯疲勞試驗，取得了顯著效果。通過前期論證及試驗檢驗得出以下結論：

1）采用拉梅公式和計算規則對載人艙縮比球殼結構內外壓差法開展疲勞試驗的可行性進行分析，在模型球殼尺寸參數和試驗壓力下，采取內外壓差來模擬模型外壓交變載荷的疲勞試驗原理合理可行。

2）提出多結構串聯的疲勞試驗方法及裝配方案，并據此開展了全海深載人潛水器兩只載人艙球殼縮比模型的疲勞試驗，經過驗證，該試驗方法和裝配方案可靠、易行。試驗過程中，測量了球殼典型結構部位的應變，經應力計算得出疲勞試驗各階段球殼焊縫區域結構應力基本保持穩定，進一步驗證了試驗系統的可靠性。試驗方法基本原理清晰，可以為類似試驗的設計應用提供參考。