拉伸载荷下穿透双裂纹干涉行为与合并准则研究

多裂纹的扩展与合并行为显著影响工程构件的剩余强度与使用寿命。为获得裂纹合并规律,对含不同长度和不同相对位置的非等长穿透双裂纹平板试样进行了拉伸试验,并基于延性损伤模型开展了有限元分析。结果表明,数值模拟中裂纹张口位移变化、扩展与合并行为与试验结果一致。此外,非等长穿透双裂纹长度及相对位置的变化,显著影响裂纹尖端的应力三轴度分布,进而影响双裂纹的合并行为。通过大量数值模拟分析,提出一种基于裂纹长度和相对位置的新合并准则。对照71组试验结果发现,新合并准则预测准确率高达84.5%;对照274组数值模拟结果发现,准确率高达91.2%。所提出的拉伸载荷下裂纹合并准则不仅具有显著高于现行含缺陷结构安全评定标准中合并准则的准确率,并且具有必要的保守性,可为工程构件中多裂纹合并与否提供有效判断。     

蠕变断裂:从物理失效机制到结构寿命预测

蠕变断裂是高温部件最主要的失效模式之一,其特点在于失效前难见征兆,往往造成灾难性后果.澄清材料蠕变失效的微观物理机制,建立恰当的蠕变寿命预测模型是解决高温结构完整性评定、蠕变全寿命设计与运行维护的关键问题.从蠕变失效的微观物理机制出发,以蠕变寿命预测方法为落脚点,详细阐述蠕变孔洞形核长大机理,对描述蠕变损伤行为的力学模型进行归纳整理,总结对高温结构及其焊接接头进行蠕变寿命预测所需的基础理论与关键技术,对基于数字孪生技术的寿命预测方法进行展望.     

P92钢焊接接头蠕变损伤与裂纹扩展数值模拟

高温焊接接头由于蠕变损伤而提前失效的案例频频发生,准确预测焊接接头的蠕变损伤和裂纹扩展行为对于保证高温装备的结构完整性具有重要意义.文中基于延性耗竭模型并结合有限元方法,考察了结构因素对厚壁圆管焊接接头蠕变失效行为的影响.结果表明,蠕变裂纹萌生/扩展行为受热影响区宽度影响,细晶热影响区宽度对蠕变裂纹的萌生时间影响不大,但会改变裂纹萌生位置;相比之下,粗晶热影响区的宽度变化对裂纹萌生时间影响略大.不同坡口形式展现出不同的裂纹萌生/扩展行为,而X形坡口是四种坡口形式中的较优选择.     

高温构件蠕变损伤与裂纹扩展预测研究新进展

精准的寿命预测是高温构件设计制造与运行维护的关键,但多轴应力和裂纹等缺陷的存在使得寿命预测的难度大大增加。综述了笔者近年来在高温蠕变损伤模型和蠕变裂纹扩展仿真方面的研究工作,主要包括:讨论了应力水平和应力状态对蠕变断裂应变的影响规律;基于幂律蠕变控制孔洞长大理论,提出了新的多轴蠕变延性模型;采用基于应变的损伤力学模型,预测了多种含缺陷结构中蠕变裂纹的扩展行为,并分析了蠕变条件下多个表面裂纹干涉、扩展及合并的全过程;发展了基于晶界孔洞化损伤机制的裂纹扩展分析方法,实现了蠕变疲劳裂纹扩展仿真和蠕变疲劳氧化裂纹扩展仿真。这些工作为建立考虑多轴应力影响的含缺陷高温构件寿命预测方法提供了有力支持。     

反应堆压力容器接管区角裂纹应力强度因子影响系数法适用性分析

分别采用有限元法(FEM)和合乎使用(FFS)规范ASMEⅪ附录G,API 579,RCC-MRx中的影响函数法计算了断裂力学参数,求解了不同工作载荷和不同裂纹尺寸下的反应堆压力容器接管区角裂纹应力强度因子(SIF),对比了不同方法中SIF计算结果的差异,并讨论了采用不同合乎使用规范进行工程结构断裂参量计算的适用性。结果表明,对于裂纹前缘最深点应力强度因子的计算,随着裂纹尺寸的增加,基于API 579和方法2的SIF结果由不保守约10.00%逐渐变化为保守约10.00%;RCC-MRx方法的保守度为12.50%和20.00%之间;ASME方法1的SIF结果的不保守度逐渐增大,最大不保守程度可达到15.00%左右。对于裂纹前缘SIF最大值的计算,API 579,ASME方法1和ASME方法2的不保守度可接近20.00%;ASME方法2比其他3种方法的不保守度更大,最高可达34.65%。现有的FFS规范方法不适用于计算接管区角裂纹前缘的最大值,需要发展新的计算方法或公式。     

内压圆筒中表面裂纹蠕变扩展的数值分析

金属蠕变的研究逐渐趋向对含缺陷材料与结构进行探讨,但针对金属构件表面裂纹蠕变扩展特性的研究仍然有限。基于三维有限元方法,对高温内压下含轴向表面裂纹的低合金Cr-Mo钢圆筒进行研究。有限元计算得到的应力强度因子K和蠕变裂纹驱动力参量C*积分与前人的研究进行比较,提出一种基于软件ABAQUS的步步分析方法来描述蠕变裂纹的扩展行为。最后,通过对若干不同初始形状裂纹的研究,得到四种不同初始形状的表面裂纹的形貌变化特性,以及裂纹深度、裂纹长度、C*积分和剩余寿命的变化规律。     

蠕变-疲劳载荷下高温结构的缺口效应研究进展

随着能源短缺问题的不断突出,高参数(高温、高压等)装备的研发成为工业节能降耗的重要手段,如超超临界汽轮机、航空发动机等高端装备。工程实际中,高参数装备的失效多源于缺口等局部不连续部位,其在蠕变-疲劳等复杂载荷下的强度分析和设计是当前研究的热点与难点。系统回顾了蠕变-疲劳载荷下含缺口构件的试验、本构模型、寿命预测、数值分析及考核准则方面的研究进展,主要包括：蠕变-疲劳载荷下的新本构关系及应用;高温强度和寿命分析的新模型及新方法;简化模型试验方法及蠕变-疲劳强度考核准则。总结这一领域的热点和研究展望,可为高参数装备在蠕变-疲劳等复杂载荷下的强度分析与设计提供一定技术支持与借鉴。     

高温蠕变条件下表面裂纹扩展行为分析

裂纹的存在及其扩展严重限制着高温承压部件的使用寿命，而目前对结构三维蠕变裂纹扩展行为的认识及其预测仍比较有限。以典型耐热钢P91为例，在650℃下对其开展了不同应力和不同初始裂纹尺寸的表面裂纹蠕变扩展试验，通过断面观察获得了蠕变裂纹扩展形貌演化，并采用基于多轴蠕变损伤模型的有限元法、基于蠕变裂纹尖端参量C^*的有限元法以及英国标准BS7910推荐的简化计算方法进行表面裂纹蠕变扩展分析。结果表明，基于多轴蠕变损伤模型的有限元法能够合理地描述裂纹最终轮廓并准确地预测裂纹扩展时间。相比之下，基于C^*的有限元法和BS7910简化计算方法计算的裂纹形貌预测有明显偏差，并且较依赖于紧凑拉伸试样的蠕变裂纹扩展试验数据及其拟合的参数C和q，易导致过于保守的裂纹扩展时间预测。评估了不同计算方法对于表面裂纹蠕变扩展行为的预测能力。     

考虑焊缝和母材不同材料特性的焊接平板疲劳裂纹扩展行为模拟

为准确描述焊接结构的疲劳裂纹扩展行为，基于Abaqus、Zencrack及相应子程序建立了考虑材料不连续的疲劳裂纹扩展模拟方法.对于初始埋藏裂纹位于焊缝区的平板焊接结构，考虑焊缝和母材不同强度匹配，进行疲劳裂纹扩展模拟，研究了不同强度匹配对焊接结构疲劳裂纹扩展寿命和扩展特性的影响.研究结果表明，当裂纹前缘由焊缝跨越至母材区域时，焊缝和母材区域的应力强度因子计算结果出现明显变化，并随着裂纹尺寸的逐渐加大，两者差异越大.随着焊缝材料裂纹扩展参数逐渐增大，母材区域的裂纹扩展相对速率逐渐变慢，裂纹形状逐渐由圆形向扁平状椭圆形过渡；相反地，母材区域的裂纹扩展相对速率逐渐变快，裂纹形状逐渐由圆形向椭圆形过渡.文中的模拟方法有望为准确预测焊接结构的跨材料裂纹扩展行为提供有效途径.