《Engineering Failure Analysis》：A computational fracture mechanics-based failure analysis of the titan submersible unravelling its collapse
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•预存的脱粘降低了壳体强度并导致了应力集中。•由外壳体界面处的径向应力和剪切应力触发的粘合失效。•脱粘和粘合失效表现出由Ⅲ型应力强度因子驱动的轴向扩展。•多种失效模式叠加导致层间脱粘和壳体灾难性内爆。引言地球表面约三分之二的面积被海洋覆盖，海洋在维持生命、调节全球气候以及塑造
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预存的脱粘降低了壳体强度并导致了应力集中。
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由外壳体界面处的径向应力和剪切应力触发的粘合失效。
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脱粘和粘合失效表现出由Ⅲ型应力强度因子驱动的轴向扩展。
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多种失效模式叠加导致层间脱粘和壳体灾难性内爆。
引言
地球表面约三分之二的面积被海洋覆盖，海洋在维持生命、调节全球气候以及塑造地球地貌方面发挥着重要作用。尽管海洋如此重要，但仅约5%的海洋区域已被探索[1]。高压、低温、腐蚀性海水以及完全黑暗等恶劣环境要求开发专用的深海载具。早在20世纪30年代，Beebe和Barton设计的深海球[2]实现了约900米的潜水，但水平移动能力和安全性有限。深潜器的研发（尤其是的里雅斯特号）在1960年达到挑战者深渊约10,916米深度时标志着一个里程碑[3]。随后的进展催生了载人潜水器、遥控操作载具（ROV）和自主水下载具（AUV）。像深海6500号这样的潜水器采用钛合金球形耐压壳，因为钛合金在静水压力下具有各向同性和可预测的失效行为[4]。近年来，研究重点转向提高作业深度、载荷能力和成本效益，这推动了先进材料的应用探索。复合材料，特别是碳纤维增强聚合物（CFRP），因深海应用而备受关注。Davies等人[5]利用玻璃/环氧和碳/环氧基FRP复合材料设计了适用于此类应用的复合圆筒，并分析了制造方法、缺陷和损伤对其强度的影响。研究发现，端封设计和缺陷容许度对静水压力载荷条件起着关键作用。Wei等人[6]对受静水压力作用的脱粘复合圆筒进行了数值研究，探讨了局部/整体屈曲失稳对脱粘扩展的影响。其分析报告称，极限屈曲压力对初始轴向脱粘长度表现出强烈依赖性。层压FRP复合材料的高比强度允许采用更轻的结构并增加载荷能力，从而提高了其在深海载具设计中的适用性[7]。其优异的抗疲劳和耐腐蚀性能也适用于重复压力循环和长航时水下任务[8]。此外，其可根据特定载荷条件进行定制的能力，使其在静水压力下具有增强的结构性能[9]。这些优势已鼓励实验和商业考察将复合材料纳入下一代深海耐压壳体的考虑范围。
尽管具有诸多优势，但制造缺陷如脱粘和微裂纹的存在是FRP复合材料在极端静水压力下应用的主要挑战，因为这些缺陷可能无法通过无损检测（NDE）手段探测[10]。Titan潜水器的内爆——这是一艘由OceanGate设计和制造的载人深海载具，旨在载运游客和科学家前往约3800米深度处的泰坦尼克号沉船残骸——凸显了这些局限性[11]。2023年6月18日，该潜水器发生了灾难性失效，导致机上五名成员全部遇难，引发了关于当前设计标准、材料选择和认证协议在深海探索中是否充分的质疑。Weijermars[12]描述了Titan内爆的物理机制，估算了内爆和断裂扩展速率，并计算了压缩空气的温升。该研究进一步提出，塌陷空气的温升导致了爆炸，这是由于塌陷空气与周围海水之间的热交换所致。Khan等人[13]对Titan潜水器进行了三维分析，将钛作为壳体材料替代了CFRP复合材料。其分析表明，钛壳体可能提供更大的安全裕度并可能防止致命事故的发生。国家运输安全委员会（NTSB）对从海底打捞起的Titan潜水器残骸部件进行了失效后分析[14]。NTSB对分离的CFRP壳体层的检查揭示出粘合剂厚度不均匀、剥层凹痕以及表明剪切和压缩失效的斜纹和弯折带断裂。穹顶和分段被发现略微椭圆化，C型槽缘也显示出剪切断裂的证据。对壳体修剪端部的检查显示，粘合剂补丁极少存在，尤其是在第1-2层和第3-4层界面处。救援期间ROV拍摄的视频画面显示，CFRP壳体层分裂为不同的子层，包括第1层、第2-3层和第4-5层[15]。迄今为止对Titan潜水器进行的所有分析，要么是基于对从海底打捞的残骸的检查，要么是基于对ROV拍摄视频画面的评估。
本研究系统地尝试通过基于计算断裂力学的有限元分析（FEA）——整合应力、失效和断裂分析——来探索Titan潜水器的渐进失效序列。根据NTSB报告的观察结果，在CFRP壳体界面内对预存脱粘进行了建模和模拟。基于NTSB的主要失效结论已仔细研究并与基于FEA的结论进行了比较，以准确预测失效路径。层间脱粘从虚拟裂纹闭合技术（VCCT）和 cohesive 区域模型（CZM）两个视角进行了建模，并仔细比较了其对层间失效的影响，发现两者高度一致。此外，所采用的基于VCCT的FEA在层间应力和Ⅲ型应力强度因子方面的计算能力已参照文献、网格收敛性、接触算法和基于文献的验证进行了仔细验证。为优化计算时间，采用了一个缩减比例（1/10）的FE模型，并通过相似性分析与实际比例模型进行了适当验证。该研究进一步通过提出的Ⅲ型主导因子（MDF）、临界Ⅲ型主导因子（CMDF）和Ⅲ型断裂影响指数（MFII）量化了Ⅲ型断裂的贡献，从而揭示了Titan潜水器渐进崩溃的 governing 物理机制。最后，将预测的失效机制与NTSB报告的独立打捞后观察结果进行关联，为Titan潜水器崩溃提供基于断裂力学的解释。
章节摘要
问题描述
Titan潜水器的示意图及其在本分析中考虑的不同结构组件如图1所示[14]、[22]、[23]。已开发了一个Titan潜水器的缩减比例（1/10）FE模型，并通过相似性分析（7.1.1中央段：壳体/壳体-C段、7.2损伤敏感中央段的应力分析、7.3.1断裂模式和临界性）与实际比例FE模型进行了验证，确立了在界面方面的等效性。
内爆后失效分析：NTSB调查结果
2023年6月18日，Titan潜水器在一次潜水过程中发生了灾难性内爆。美国国家运输安全委员会（NTSB）与美国海岸警卫队海事调查委员会合作，对Titan启动了全面的失效后调查。NTSB检查了从海底打捞起的Titan潜水器部件并报告了关键发现[14]。本分析的主要目的是基于以下提出CFRP壳体失效序列
实验分析
CFRP耐压壳体是Titan潜水器中最易受损伤的结构组件之一，由五层复合材料通过Scotch-Weld? DP420粘合剂粘合而成，如问题描述（第2节）所述。为进一步证明粘合剂选择的合理性，已进行了一项单独敏感性分析，并在7.2损伤敏感中央段的应力分析和7.3损伤敏感中央段的断裂分析中呈现。由于
结构建模
本分析的主要目标是理解层/接头界面应力分布趋势，从而准确预测Titan潜水器内的失效起始区域和断裂扩展。采用了一个Titan潜艇的1/10缩减比例FE模型，预计与大比例全尺寸FE模型相比能提供稳定且可重复的解决方案，后者可能遇到网格收敛复杂性、接触不稳定性和过量内存需求等问题。然而，
失效起始和扩展准则
Titan潜水器采用了碳纤维增强聚合物（CFRP）圆柱耐压壳、钛合金穹顶和分段以及丙烯酸PMMA镜头的组合构建。这些异种材料通过粘合连接，形成了具有多种界面的混合结构系统。在这些界面处，由于异种材料存在显著的刚度和热膨胀不匹配。在多种
结果与讨论
结果与讨论通过Titan潜水器的详细基于FEA的失效、应力和断裂分析呈现。在此之前，有必要论证在以下方面所采用的几项关键建模假设：选择未知的CFRP壳体粘合剂（NTSB未报告）以及考虑1/10缩减比例FE模型进行FEA。
在NTSB报告中没有关于CFRP壳体段所用粘合剂A信息的情况下，Scotch-Weld? DP420
总结与结论
在本研究中，基于计算断裂力学的FEA与NTSB调查的主要结论进行了仔细关联，系统性地预测了Titan潜水器在外部静水压力作用下的渐进失效序列。根据基于NTSB的观察，与前后段相比，CFRP壳体是最易发生失效的区域。已采用适当的载荷和边界条件，使中央CFRP壳体段
作者贡献声明
Sanjeev Kumar：撰写–初稿，可视化，软件，方法论，调查研究，形式化分析，概念设计。Siddharth Singh Gusain：软件，调查研究，数据整理。Rashmi Ranjan Das：撰写–审阅与编辑，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，形式化分析，概念设计。
利益冲突声明
作者声明他们不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。
Sanjeev Kumar|Siddharth Singh Gusain|Rashmi Ranjan Das
