大深度载人潜水器载人球壳的结构可靠性研究

Deepsea manned submersible technology is among the frontier problems of today's deep-sea high-tech developments. The most difficult key technology is the development and safety assessment of manned pressure hull. The thick spherical shell is usually adopted for deep manned submersible, which has several large openings and is manufactured by hemisphere punch and equatorial welding, or welded by several spherical parts. Random characteristics must be considered in its structure, material and load. As human experience on exploitation of deep manned submersible is very limited and big difference exists among the current design standards provided by classification societies, the safety of the pressure hull during service is still not evaluated. In this respect, the current project will combine multiple disciplines including material mechanics, fracture mechanics, elastic-plastic mechanics, reliability theory, to conduct the study on the use reliability of the spherical hull with advanced measurement technology, well-designed tests, numerical analysis and theoretical analysis, in order to grasp the method to treatment of loading history, establish a crack growth rate model in time domain for cyclic creep loading history with variable amplitude, investigate the residual strength during crack propagation and obtain its statistical characteristics of influential parameters. A standard use reliability analysis process for manned spherical hull will be established during the project, which will provided theoretical support for the deepsea manned submersible safety assessment techniques of our country.

大深度载人潜水器技术是当今深海高技术发展前沿的一个重要组成部分，其关键技术中难度最大的就是载人舱的研制和安全性评估。大深度载人舱一般采用球形壳体，它是由半球冲压赤道焊接或多个瓜瓣焊接而成的具有多个大开口的厚球壳结构，其结构、材料、载荷等都具有一定的随机特性。由于人类开发利用大深度载人潜水器的经验非常有限，目前各船级社提供的设计标准还存在很大差别，利用某一标准设计制造后的载人球壳在使用安全性上仍无法考量。为此，本项目将结合材料力学、断裂力学、弹塑性力学、可靠性理论等多个学科，借助先进测量技术、精细试验、数值分析和理论分析，进行载人球壳的使用可靠性研究，掌握载人球壳载荷历程的处理方法，建立变幅循环蠕变疲劳载荷作用下的时间域裂纹扩展率模型，研究球壳在疲劳裂纹扩展过程中的剩余强度衰减规律，获得其影响参数的统计特性，建立球壳的使用可靠性分析流程，为我国大深度载人潜水器安全性评估技术提供理论支持。

大深度载人潜水器技术是当今深海高技术发展前沿的一个重要组成部分，其关键技术中难度最大的就是载人舱的制造和安全性评估技术，载人舱使用过程中的安全性也是人员生命安全的最核心保障。大深度载人舱一般采用球形壳体，它是由半球冲压赤道焊接或多个瓜瓣焊接而成的具有多个大开口的厚球壳结构，其结构、材料、载荷等都具有一定的随机特性。由于人类开发利用大深度载人潜水器的经验非常有限，目前各船级社提供的设计标准还存在很大差别，利用某一标准设计制造后的载人球壳在使用安全性上仍无法考量。本项目聚焦大深度载人潜水器载人舱结构安全性的核心问题，基于精细的小试样试验、严密的理论研究和合理的数值计算分析，从球壳的整个生命周期、影响因素、系统配合等多个角度，以全面考察材料、结构、载荷、环境这四大因素对大深度载人壳体可靠性的影响为手段，掌握了大深度载人舱所用高强度钛合金材料的使用性能、建立了钛合金材料循环蠕变裂纹扩展模型、建立了大深度球壳剩余强度的可靠性分析方法，并补充研究了马氏体镍钢壳体性能、仿生壳体性能研究，取得了丰富的研究成果。本项目研究为当前大深度耐压壳体合理选材、提高安全性提供了基础数据和理论指导，弥补了国内外潜水器领域耐压舱材料性能规律、结构破坏机理和寿命预测模型方面的空白，为我国大深度载人潜水器安全性评估技术提供理论支持。补充研究也提出了载人舱后续研究的一些新方向。