王素粉
(1.河南科技大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院,河南 三門峽 472000;2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院,河南 三門峽 472000)
耐高壓觀察窗是深海潛水裝備的重要組成單元,是觀察外部環(huán)境的重要窗口,根據(jù)工作環(huán)境的特點,將承受較大的壓力沖擊[1]。
由于觀察窗在反復(fù)升降過程中,受海水循環(huán)擾動力作用會產(chǎn)生裂紋,甚至發(fā)生斷裂,疲勞破壞會帶來災(zāi)難性后果,危害裝置安全,所以對觀察窗進(jìn)行疲勞分析具有重要的意義,而引起失效的循環(huán)載荷往往小于根據(jù)靜載荷強度分析的“安全”載荷,因此,傳統(tǒng)的靜強度分析不能解決疲勞問題。因此,根據(jù)不同的損傷理論對觀察窗進(jìn)行分析具有重要的意義。
學(xué)者們進(jìn)行了一定研究:文獻(xiàn)[2]基于軟件建模分析連接形式對觀察窗用材的影響,并獲得了最優(yōu)的設(shè)計;文獻(xiàn)[3]基于多種分析方法對承受高壓的裝置結(jié)構(gòu)性能和極限載荷進(jìn)行分析,并對裝置的穩(wěn)定性進(jìn)行分析;文獻(xiàn)[4]基于觀察窗屬于有限壽命的設(shè)計,采用不同的壽命預(yù)測方法,針對耐高壓觀察窗的結(jié)構(gòu)參數(shù)和使用環(huán)境進(jìn)行設(shè)計,并對比預(yù)測結(jié)果的可靠性;文獻(xiàn)[5]基于疲勞損傷理論,分析隨機載荷對疲勞壽命的影響,并對壽命進(jìn)行了預(yù)測,將預(yù)測結(jié)果與試驗分析進(jìn)行對比?;阱F臺式觀察窗的結(jié)構(gòu)特點,對觀察窗的疲勞載荷和所受的液動力進(jìn)行分析;基于觀察窗載荷譜和有機玻璃的S?N曲線,進(jìn)行有限單元法建模仿真分析,并根據(jù)Miner線性累積損傷理論公式,分析觀察窗的疲勞損傷,獲得使用壽命;搭建觀察窗壓力試驗裝置,獲得觀察窗壓力載荷作用下的軸向位移,根據(jù)蠕變損傷模型獲得疲勞壽命,驗證仿真分析的可靠性。
錐臺式觀察窗具有良好的力學(xué)性能,能夠承受最高200MPa的海底高壓,同時具有良好的密封性,而被廣泛應(yīng)用[6],結(jié)構(gòu),如圖1所示。
圖1 錐臺形觀察窗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Frustum?Shaped Observation Window
疲勞發(fā)生的外部原因是擾動力,即隨時間變化的應(yīng)力。通常以載荷(N)?時間(T)變化的圖或表來描述載荷的變化,稱之為載荷時間歷程即載荷譜[7?8]。首先,對觀察窗的下潛深度、平均速度、次數(shù)等進(jìn)行分析,獲得壓強P、次數(shù)n的數(shù)據(jù),最后分析和計算載荷譜。統(tǒng)計設(shè)備5次下潛數(shù)據(jù)統(tǒng)計,如表1所示。在計算下潛的過程中受到的最大壓強時,海水密度取1.025g/cm2[9]。根據(jù)記錄,計算最大深度的壓強,即觀察窗受最大壓強,下潛過程以勻速下潛,平均速度為40m/min。
表1 數(shù)據(jù)分析Tab.1 Data Analysis
當(dāng)波浪和海流經(jīng)過時,會對設(shè)備整個系統(tǒng)產(chǎn)生一個力,稱為液動力。液動力主要由于拖拽力和慣性力導(dǎo)致。簡單的說一個是由于水的速度引起的,一個是由于加速度引起的[10]。
系統(tǒng)的坐標(biāo)定義如下:Z軸為垂直水面方向,沿著水深的反方向為正。X軸的正方向為海流方向,X?Y平面為水平面,設(shè)觀察窗任意一點的深度z處取一微分dz,根據(jù)莫里森(Morison)方程,該段的波力為:
式中:CD—阻力系數(shù);ρSW—海水密度;D—直徑;ux—水質(zhì)點的水平速度;CX—慣性力系數(shù);水質(zhì)點水平加速度。
對式(1)進(jìn)行修正,設(shè)速度矢量uc與x軸的夾角為ψ,該矢量在三個坐標(biāo)軸上的投影為{uccosψ,ucsinψ,0},則觀察窗上的力的矢量為:
式中:U=e×(u總×e),u總=u+uc,e—沿著水深的單位矢量。
用下式來模擬海流流速隨深度變化的關(guān)系:
其變化趨勢,如圖2所示。
圖2 海流流速隨深度變化的曲線Fig.2 Curve of Sea Current Flow Rate as Function of Depth
取海流方向與波浪的傳播方向一致,根據(jù)修正后的Morison方程,作用在揚礦管水深(z2?z1)上的水平波力的大小為:
從上式可以得出,利用Mrison方程計算液動力,主要因素為波浪波面的高度、水質(zhì)點的水平速度和水平加速度。并且要計算得出拖拽力系數(shù)和慣性力系數(shù)[11]。拖拽力系數(shù)與雷諾數(shù)Re、Kc數(shù)及表面粗糙度有關(guān)。
根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得出CD=1.2。慣性力系數(shù)取CM=2.0。
水平速度和水平加速度的表達(dá)式可簡化為:
運用Mapel軟件對上述公式進(jìn)行計算,得到曲線圖。液動力隨著深度變化而變化的曲線,如圖3所示。
圖3 液動力隨著深度變化而變化的曲線Fig.3 Curve of Hydraulic Dynamics as a Function of Depth
觀察窗在下潛的過程中還受到海水壓力的作用,每一千米的受壓為10MPa,得到壓力作用的大小。將海水液動力和海水的壓力作用合成得到以下的觀察窗的總受力圖,如圖4所示。
圖4 觀察窗總受力Fig.4 The Total Force of the Observation Window
從圖中可以看出觀察窗的總受力呈曲線上升且對稱分布,為后續(xù)的疲勞分析提供加載數(shù)據(jù)。
構(gòu)件在應(yīng)力水平Si作用下,經(jīng)受ni次循環(huán)的損傷為Di=ni/Ni。若在k個應(yīng)力水平Si作用下,各經(jīng)受ni次循環(huán),則可定義其總損傷為:
破壞標(biāo)準(zhǔn)為:
將整個耐高壓觀察窗的三維模型導(dǎo)入Ansys界面,為了簡化模型,導(dǎo)入Geometry?Design Modeler 界面,對裝配體進(jìn)行對稱面約束的設(shè)置,將模型簡化為四分之一模型。按照材料參數(shù),定義有機玻璃和碳結(jié)構(gòu)鋼的材料參數(shù),將有機玻璃與裝配體接觸面的聯(lián)接方式設(shè)置為frictioness,且摩擦系數(shù)設(shè)為0.3,定義加載的載荷,如表1所示。并定義有機玻璃的S?N 曲線,有機玻璃的S?N曲線,如圖5所示。在輸出結(jié)果一欄選擇Fatigue Life,進(jìn)行疲勞壽命的有限元的計算。
圖5 有機玻璃S?N曲線Fig.5 Plexiglass S?N Curve
選擇Fatigue Tool工具中的Life,計算觀察窗的疲勞壽命。首先模擬下潛7000m 的情況,加載情況模擬海底受載情況,下潛7000m,受海水壓力的變化是從0MPa—70MPa—0MPa,同時考慮液動力的作用,將合力編寫成加載.DAT文檔,輸入ANSYS軟件當(dāng)中,得到相應(yīng)的加載曲線,如圖6所示。
圖6 載荷塊幅值為70MPa的加載曲線Fig.6 Load Curve of Load Block Amplitude 70MPa
運行結(jié)果顯示此載荷下,觀察窗的疲勞壽命3.9289e5Circle,即可進(jìn)行此加載3.9289e5次。
對觀察窗按照載荷譜,進(jìn)行5次加載,載荷的大小見載荷譜表1,采用有限元的方法計算觀察窗的疲勞壽命Fatigue Life,其加載方法、材料的參數(shù)設(shè)置、接觸設(shè)置及網(wǎng)格劃分與應(yīng)力應(yīng)變分析操作相同,分析得到的觀察窗在相應(yīng)載荷下的壽命圖,如圖7所示。
圖7 不同深度下的壽命分析Fig.7 Life Analysis at Different Depth
根據(jù)圖中的疲勞壽命云圖,可以看出觀察窗壽命最小值點,即危險點的位置。
表2 觀察窗載荷(S)-壽命(N)數(shù)據(jù)表Tab.2 Observation Window Load(S)-life(N)Data Sheet
根據(jù)表中分析數(shù)據(jù),可得計算結(jié)果為:
由Miner線性積累損傷理論可以判定觀察窗沒有發(fā)生疲勞破壞,并且經(jīng)過計算得到觀察窗的疲勞壽命為:n=1/D=21359 Cir‐cle。即進(jìn)行相同載荷的五次加載可以使用21359次。
為真實模擬高壓觀察窗的工作環(huán)境,搭建的試驗壓力裝置,如圖8所示。采用球形結(jié)構(gòu)的壓力裝置的應(yīng)力較小,此結(jié)構(gòu)適用于超高壓力容器。
圖8 壓力試驗裝置Fig.8 Pressure Test Device
根據(jù)表1所示的5種壓力,對裝置進(jìn)行保壓試驗,達(dá)到設(shè)定壓力值,保壓10min,待裝置穩(wěn)定后,測量觀察窗的軸向位移,每個壓力值進(jìn)行三次重復(fù)試驗結(jié)果,如表3所示。
表3 觀察窗軸向位移Tab.3 Axial Displacement of the Observation Window
由試驗數(shù)據(jù)可知,最大軸向位移蠕變量為1.253mm。根據(jù)蠕變疲勞損傷模型,累積損傷等于疲勞損傷增量和蠕變損傷增量線性相加。
即:
對模型進(jìn)行積分可得蠕變疲勞損傷演變方程:
對式(13)自N=0,Dcf=0到N=Ncf,Dcf=1積分得:
其中:
將參數(shù)代入,可得:Ncf=21326 Circle,而仿真獲得的疲勞壽命為21359 Circle,二者誤差為1.5%,兩種方法分析結(jié)果誤差較小,可認(rèn)為基本一致。
針對耐高壓觀察窗的疲勞壽命進(jìn)行分析,采用模型仿真和試驗分析兩種方法進(jìn)行對比分析,結(jié)果可知:
(1)基于觀察窗載荷譜和有機玻璃的S?N曲線,進(jìn)行有限單元法分析,基于Miner理論公式,計算觀察窗的疲勞損傷,獲得使用壽命為21359 Circle;
(2)基于試驗裝置和蠕變損傷模型,對觀察窗的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測分析,得到使用壽命為21326 Circle;
(3)仿真與試驗結(jié)果誤差在1.5%,二者基本一致,表明模型仿真的可靠性和準(zhǔn)確性。