0 引　言

全海深载人潜水器是科技部重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项中支持研发的最为关键的深海装备。载人舱球壳作为全海深载人潜水器最关键的部件，不仅为驾驶员和科学家提供深海作业空间，也为非耐压仪器设备提供常压工作环境^[1]。在潜水器下潜及上浮过程中载人舱球壳需承受交变海水压力，随着使用次数的增加，可能发生低周疲劳破坏^{[2- 3]}，对结构长期安全性而言是一个巨大考验。球壳初挠度、焊接残余应力、开孔加强部位的应力水平、焊缝处的缺陷等都会对载人舱球壳的疲劳特性产生影响，国内众多学者开展过相关领域的理论及数值研究，而模型试验却鲜有公开。

鉴于模型试验是研究、考核疲劳性能和结构安全性的最有效手段，本文通过开展全海深载人潜水器载人舱球壳缩比模型疲劳试验研究，分析疲劳载荷对球壳形状、焊缝残余应力、关键部位结构应力、缺陷萌生和扩展的影响，为全海深载人潜水器载人舱球壳的疲劳性能和结构安全性评估提供数据支撑。

1 疲劳试验对象及内容

疲劳试验对象为内径800 mm的全海深载人潜水器载人舱球壳缩比模型，球壳材料为新型钛合金，屈服强度为930 MPa，材料泊松比为0.34，材料密度为4500 kg/m³。

球壳由半球冲压焊接而成，包含1个出入舱口、1个观察窗，主焊缝由出入舱口焊缝、半球对接焊缝和观察窗焊缝构成，球壳型式如图1所示。

疲劳试验分为7个阶段，每阶段1000个加卸载循环，每个循环按0→115 MPa→0施加梯形波。在典型试验节点，对球壳形状、半球对接缝处残余应力、焊缝位置处结构应变和缺陷进行测量分析，获得丰富的试验数据，为全海深载人潜水器载人舱球壳的疲劳校核和安全性评估提供试验依据。

2 疲劳试验结果 2.1 球壳形状测量结果

全海深载人潜水器钛合金耐压球壳结构在建造过程中必然会与理想球壳之间产生偏差，这种偏差通常称为初始缺陷或初始挠度^[4]，而球壳整体圆度对结构的极限承载能力有一定影响^[5]，同时引起应力分布不均匀，产生结构疲劳特性差异。本文采用激光跟踪仪进行球壳形状测量，测点位置设置为：在球壳外表面，16等分纬线与32等分经线交点处设置测点，如图1所示。测量时首先将靶球放置于试件测点位置，激光跟踪仪主机发射激光，在靶球处接收激光并反射，主机收到反射激光后在控制器进行处理，即可获得该测点的空间坐标值。对所有测点进行最小二乘拟合，得到理论模型，随后将测点和理论模型进行法向偏差比较，测点距离理论模型的法向距离即为该试件的凹凸度，其中测点在理想模型外侧为外凸初挠度，测点在理想模型内侧为内凹初挠度。

对于本次测量球壳，球壳圆度为最大初挠度绝对值。在球坐标系中，假设激光跟踪仪的测量中心为O点，反射把球中心为P点，如图2所示。$ \theta \mathrm{、}\phi $由2个角度编码器测得，距离$ r $由激光干涉仪测得，按下式坐标转换即可确定空间点P的三维坐标^[6]。

$\left\{\begin{aligned} &x = r\sin \theta \cos \theta ，\\ &\mathrm{\mathit{y}}=\mathit{\mathrm{\mathit{r}}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{\theta}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{\phi}y=r\sin\theta\sin\varphi，\\ &\mathit{\mathit{\mathrm{\mathit{z}}\mathit{ }}}=\mathrm{\mathit{r}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{\theta}z=r\cos\theta 。\end{aligned}\right. $

(1)

在疲劳试验第1阶段前、后及第3阶段后，对球壳形状进行测量，测量结果汇总如表1所示。结果表明，经历3000次疲劳加卸载之后，球壳外表面形状参数均无明显变化。

2.2 残余应力测量结果

全海深载人球壳缩比模型由2个半球采用焊接方式加得到，形成1条半球对接焊缝，同时主球体上焊接1个出入舱口和1个观察窗，形成3条主焊缝，不可避免产生焊接残余应力，对结构的安全性可能产生不利影响^[7]。本文采用X射线衍射法开展半球对接焊缝处残余应力的测量研究，测试仪器为G3-Xstress应力分析仪。

X射线衍射法是测量残余应力的一种有效手段，其理论依据是X射线衍射理论和宏观弹性力学。当一束波长为$ \lambda $的单色X射线入射到多晶体上时，会被晶面间距为$ d $的平行晶面组内的原子散射，根据波动光学原理，会在一定的角度$ 2\theta $位置上发生衍射现象，如图3所示。其中，X射线的波长$ \lambda $、衍射晶面间距$ d $和衍射角$ 2\theta $之间满足布拉格方程：

$ 2d\mathrm{sin}\theta =n\lambda，(衍射指数n=1,2,3\cdots ) 。$

(2)

当试样中存在残余应力时，晶面间距将会发生变化，发生布拉格衍射的位置也将随之移动，衍射角$ 2\theta $也会相应改变。对于均匀、连续、各向同性材料，可最终求解得^[8]：

$ {\mathrm{\sigma }}_{\mathrm{\phi }}=\mathrm{\mathit{K}}\mathrm{\mathit{M}} {\sigma _\varphi } = KM。$

(3)

式中：$ K = - \dfrac{E}{{2(1 + \mu )}}\cot {\theta _0}\dfrac{\text{π}}{{180}} $；$ M = \dfrac{{\partial (2{\theta _\psi })}}{{\partial ({{\sin }^2}\psi )}} $。

残余应力测点设置为：在半球对接焊缝中心位置、焊缝一侧熔合线位置、一侧距离熔合线 1 mm、2 mm、5 mm位置设置测点，分别测量测点处沿焊缝方向以及垂直焊缝方向的残余应力；在上、下半球球体上各设置3个测点，分别测量沿经线方向和纬线方向的残余应力。

第1阶段试验前后，对球壳残余应力进行测量，结果如表2所示。可知：

1） 第1阶段试验前，半球对接焊缝区域残余应力横向最大值为223.7 MPa、最小值为−166.7 MPa，纵向最大值为168.6 MPa、最小值为−150.3 MPa；

2）第1阶段试验后，半球对接焊缝区域残余应力横向最大值为140.5 MPa、最小值为−121.3 MPa，纵向最大值为112.2 MPa、最小值为−86.1 MPa；

3） 纵向应力幅值与横向应力较为接近，经过第1阶段疲劳试验，球壳残余应力得到一定释放。

2.3 典型位置应变测量结果

由于焊缝、焊趾附近区域存在较高的峰值应力，易萌生疲劳裂纹并引起裂纹扩展，从而影响结构安全性^[9]，故应变测点主要位于焊缝两侧，用于监测球壳在单次疲劳加卸载周期内该部位的结构应力，主要布片位置包括半球对接焊缝处、出入舱口焊缝处和观察窗焊缝处，测点位置如图4所示。

在疲劳试验第2阶段前、第3阶段前后、第5阶段前后，对球壳应变进行测量，根据Hooke定律，考虑消除应变片压力的效应^[10]，计算最高压力下的球壳外表面测点应力，公式如下^[11]：

$ \left\{ \begin{gathered} {\sigma _x} = \frac{E}{{1 - {\mu ^2}}}\left( {{\varepsilon _x} + \mu {\varepsilon _y}} \right) - P ，\\ {\sigma _y} = \frac{E}{{1 - {\mu ^2}}}\left( {{\varepsilon _y} + \mu {\varepsilon _x}} \right) - P 。\\ \end{gathered} \right. $

(4)

式中：$ P $为静水外压；$ \varepsilon $为结构应变；$ \sigma $为结构应力。

历次测量结果汇总如表3所示。可知：半球对接缝处测点经线方向应力水平略低于纬线方向应力，二者数值接近；出入舱口焊缝和观察窗焊缝处测点经线方向应力水平均高于纬线方向应力；疲劳试验各阶段球壳焊缝区域结构应力基本保持稳定。

2.4 无损检测结果

目前，水下承压结构的疲劳问题主要关注点为局部区域的拉应力疲劳问题，对压-压载荷作用下的疲劳问题研究尚少。一般认为，循环压缩载荷对裂纹的扩展作用不大，故研究中往往将压缩载荷部分忽略，但国内外相关研究发现，压缩载荷作用下，裂纹可能发生扩展^{[12 − 14]}。大量潜水器耐压壳体的疲劳试验已经证明，约95％的疲劳失效发生在结构的焊缝区域^[15]。在疲劳试验各阶段加卸载结束之后，均采用超声和渗透对球壳进行无损检测，检测位置为出入舱口焊缝、观察窗焊缝、半球对接焊缝，各阶段无损检测结果如表4和表5所示。

可以看出，球壳焊缝处均无表面缺陷形成；第1阶段试验后，球壳焊缝处形成4处点状埋藏缺陷，分别为半球对接焊缝2处、观察窗焊缝1处、出入舱口焊缝1处；第2阶段试验后，半球对接焊缝新增1处埋藏点状缺陷；第3~第7阶段试验后，球壳焊缝处均无新增埋藏缺陷产生；球壳渗透和超声检测评定等级均为Ⅰ级。

3 结　语

本文通过开展全海深载人潜水器载人舱球壳缩比模型疲劳试验研究，分析疲劳载荷对球壳形状、焊缝残余应力、关键部位结构应力、缺陷萌生和扩展的影响，得出以下结论：

1） 对全海深载人潜水器载人球壳缩比模型疲劳试验中的球壳形状、残余应力、球壳应变进行测量，通过分析测量数据，可以得出，交变海水压力作用下，球壳外直径、凹凸度均维持在恒定水平，无显著变化；焊缝处残余应力得到一定释放，其峰值出现下降；焊缝处结构应力基本保持稳定。

2） 对全海深载人潜水器载人球壳缩比模型疲劳试验各阶段球壳焊缝处进行超声和渗透检测。超声检测结果表明，除试验第1、第2阶段生成5处埋藏点状缺陷外，其后再无缺陷生成；渗透检测结果表明，球壳焊缝处无表面初始缺陷，且试验过程中未发生裂纹萌生和扩展，评定等级均为Ⅰ级，球壳设计和加工均满足结构长期安全性要求。