钛合金以其优异的力学性能被应用在海洋装备结构中,在交变载荷作用下,钛合金结构的初始微缺陷容易发生疲劳裂纹扩展,进而会导致灾难性的破坏。因此,海洋装备钛合金结构逐渐采用损伤容限设计理念来保证安全。然而,传统的二维损伤容限设计理念过于保守,不利于三维海洋装备结构的轻量化设计。本文选取广泛应用于海洋装备上的TC4ELI钛合金作为研究对象,并对其疲劳裂纹扩展进行了系统研究,发现在二维断裂力学理论框架内,材料的疲劳裂纹扩展速率依赖于试样厚度和加载应力比。基于三维断裂理论,同种材料的疲劳裂纹扩展速率与试样厚度和加载应力比无关。在此基础上,将得到的材料常数用于疲劳裂纹扩展模拟,实现了不同情况下疲劳裂纹扩展寿命的准确预测。本文主要研究内容如下:1、通过标准试验方法对含穿透直裂纹的TC4ELI钛合金试样进行不同厚度和加载应力比下的疲劳裂纹扩展测试。同时,将二维理论下得到的裂纹扩展速率曲线da/d N～ΔK进行重新处理,在三维状态下得到了真实裂纹扩展速率曲线da/d N～ΔKeff。基于此理论方法,得到了与试样厚度和加载应力比无关的疲劳裂纹扩展速率参数。为了对比TC4ELI钛合金的疲劳裂纹扩展性能,本文同时选取了传统TC4钛合金作为研究对象,系统对比分析了两种钛合金性能的差异。2、由试验结果发现,相比于TC4钛合金,TC4ELI钛合金的裂纹扩展路径更为曲折。为了研究裂纹偏折的内在机制,首先采用白光干涉仪分析两种钛合金疲劳试验后试样的断口形貌。然后,对两种钛合金的微观金相组织进行了表征。最后,通过分析疲劳裂纹扩展路径上微观金相组织的变化来得出造成裂纹偏折的主要原因。3、利用专业疲劳裂纹扩展软件Zencrack对含穿透裂纹的钛合金试样进行疲劳裂纹扩展模拟,基于三维疲劳裂纹扩展理论预测了试样疲劳裂纹扩展寿命。将试验和模拟结果进行比较,证明了在三维理论下采用有限元模拟能够准确预测含裂纹海洋装备钛合金结构的疲劳裂纹扩展寿命。通过有限元模拟分析了裂纹偏折对于裂纹尖端驱动力的影响,同时研究不同偏折角度下裂纹尖端驱动力的变化规律。为了得到裂纹偏折的原因,最后建立二维多晶模型进行了疲劳裂纹扩展模拟,讨论晶界和晶粒大小对于裂纹扩展路径的影响。本文在三维断裂力学理论框架下,对含穿透裂纹的钛合金试样进行了疲劳裂纹扩展试验、表征以及模拟,准确预测了不同状态下的钛合金试样疲劳裂纹扩展寿命,并对材料的抗疲劳裂纹扩展性能作出分析。本文研究内容对海洋装备结构的安全运行提供了理论支撑。