基于有限元方法的压力容器弹塑性断裂问题研究

研究压力容器外表面弹塑性断裂问题对于确保容器安全运行和延长容器的使用寿命具有重要意义。以有限元方法与弹塑性断裂理论为基础,采用三维J-积分方法,解决压力容器中普遍存在的外表面轴向半椭圆裂纹Ι型弹塑性断裂问题。结果显示,三维J-积分随着裂纹角度的增大而增加,随着积分区域的增大而降低。当内压增加到15 MPa时,半径为0.2 a与0.4 a(a为裂纹深度)的积分区域1与2的计算结果在裂纹角度为15°处存在一定波动。同时可以看到,在裂纹角度较小且靠近外表面的位置,不同积分区域的结果差异较大;而在裂纹角度较大的位置,不同积分区域的结果相差不大。这说明三维J-积分具有较好的路径独立性,可为压力容器的防弹塑性断裂设计、材料选择、断裂预测和修复提供科学依据。

Ⅰ+Ⅱ复合型弹塑性断裂的COD分析

以Rice的裂纹尖端钝化模型为基础定义了复合载荷下裂纹尖端的位移COD、CTOD和CTSD，CTOD和CTSD是复合型裂尖位移COD的Ⅰ和Ⅱ型分量．对铝合金Ly12复合Ⅰ＋Ⅱ型弹塑性断裂行为进行了COD分析，并对复合载荷下COD与J积分的关系进行了讨论．结果表明：（1）随Ⅱ型分量的增加，Ly12启裂的CODi值增加，纯Ⅱ型的启裂CODi值是纯Ⅰ型的6倍；（2）Ly12复合载荷下的COD与复合J积分值JM满足下列关系：JM=dσ0COD，d为系数，随复合比而变，可由实验和计算确定．

采场上覆岩层塑性断裂区域和移动规律研究

采场岩体一面临空,上覆围岩的应力由原来的三向应力状态变为二向应力状态。在次生应力的作用下,随工作面的推进,上覆岩层将出现受拉区和塑性区。为此,提出了岩体断裂失稳的应力判据,该判据可以计算出顶板的拉应力区、塑性断裂区和O型圈的范围。并以白皎煤矿地质资料为背景,用3D-σ有限元分析软件,建立了采场的三维结构模型,用应力判据结合数值分析的结果,计算出了顶板拉应力区、塑性断裂区和O型圈的范围;并分析了不同步距老顶受拉区、塑性区、O型圈和顶板沉降的演化特征。研究成果可为采场压力计算和控制提供理论依据。

板的弹塑性断裂随机有限元分析

在幂律非线性随机有限元基础上,借助小扰动随机性概念,系统地提出解决板的弹塑性断裂随机有限元分析方法,并给出以单边裂纹板为例进行弹塑性断裂参数及其对基本随机变量变化率数值计算的算例和方法的应用说明。

LBB弹塑性断裂分析中临界裂纹尺寸计算

LBB评估中基于弹塑性断裂方法(EPFM)计算裂纹稳定扩展的临界尺寸是主要难点之一,工程应用中主要通过裂纹扩展驱动力图(J-a图)或裂纹扩展稳定性图(J-T图)计算裂纹稳定扩展的临界尺寸。针对绘制J-a和J-T图的过程较复杂,且作图法确定临界裂纹尺寸精度会受到作图质量影响的问题,基于EPRI工程评定方法的裂纹稳定扩展条件(ASME和R6等规范中也是引用的该条件),给出了一种计算裂纹稳定扩展临界尺寸的数值方法。分析案例研究结果表明,J-T图驱动力曲线存在不是直线的情况,这与简化分析假设不一致。在分析案例中,J-T图分析获得的临界裂纹尺寸是偏于保守的,当外加载荷较小时,这种保守性较小,但当外加载荷较大时,J-T图引起的保守可能高达40%左右。

钻柱表面裂纹在拉扭作用下的弹塑性断裂性能

在钻井作业过程中,井口附近钻杆受到的拉力和扭矩往往达到整个钻柱的最大值,尤其是在上提钻柱解卡、震击解卡以及蹩钻、卡钻情况发生时,井口附近钻杆受力更为恶劣。针对井口附近钻杆的断裂问题,以某超深直井的实际工况载荷为例,将钻杆外表面的缺陷简化为横向半椭圆裂纹,以30CrMo作为钻杆材料并通过实验拟合得到其Ramberg–Osgood(R–O)本构模型,研究了拉力和扭矩组合作用下裂纹的弹塑性断裂特性。得到钻进工况下钻柱外表面裂纹扩展至不同深度的临界形状比以及塑性成分在J积分中所占的比例;定量分析了拉力波动和扭矩波动对井口附近钻杆弹塑性断裂性能的影响,发现扭矩波动对裂纹扩展的贡献远大于拉力波动,避免钻柱受到扭转冲击对延长钻柱寿命有重要意义。

Ⅰ＋Ⅱ型弹塑性断裂的宏观与微观过程

文章研究了３种不同材料的Ⅰ＋Ⅱ型弹塑性断裂的宏观与微观过程．观察结果表明，在以Ⅰ型载荷为主的复合型弹塑性断裂过程中，启裂及失稳断是纤维型断裂，受空穴体积分数的控制，断口为等轴韧窝．Ⅱ型载荷为主时，发生剪切型启裂，断口为抛物形韧窝＋平坦区，失稳断裂仍是纤维形，剪切启裂是受等效应变εｐ所控制，随Ⅱ型分量增加，韧窝尺寸减小．同时，抛物形韧窝的长短轴之比增加。

考虑残余应力的弹塑性断裂参量计算方法

核电厂承压设备的断裂安全性能评价中均要求考虑焊接或矫形过程形成的残余应力(RS)的影响,但如何快速、可靠地计算复杂载荷下裂纹前沿的弹塑性断裂参量,一直是工程中的技术难点。针对材料拉伸性能符合R-O关系的结构,基于英国R6规范的双参数失效评定图(FAD)技术,采用理论推导的方法,提出一种线弹性断裂参量应力强度因子(SIF)的塑性修正方法。该方法在理论基础方面优于现有RCC-M和ASME规范中对SIF直接塑性修正的方法。分析案例表明,焊接和矫形过程形成的RS对结构断裂性能存在明显影响。

管线钢半椭圆裂纹体的弹塑性断裂分析

基于J-A2双参数断裂理论,对带半椭圆表面裂纹和单边贯穿裂纹的拉伸试件进行弹塑性断裂分析.计算并比较了X80和X100钢裂纹体在裂纹宽度相同、深度不同时的断裂驱动力J和约束参数A2.根据2种钢的断裂失效曲线,对椭圆裂纹最深点及相应深度的单边裂纹进行断裂分析比较.结果表明:椭圆裂纹深度的改变主要影响J积分值而对约束水平影响不大;裂纹深度及J积分均相同时,椭圆裂纹最深点与单边裂纹拉伸试件裂纹尖端的约束情况有较大差异,裂纹较深时,单边裂纹拉伸试件裂尖的约束水平要高于半椭圆裂纹情形;一般情况下对这2种钢椭圆裂纹体进行失效评估时,利用平面应变模型的计算结果会偏于保守,但对X100钢的浅椭圆裂纹则相反.

弹塑性断裂随机分析的工程方法

为解决弹塑性断裂随机分析的参数计算问题 ,发展了前人的“弹塑性断裂力学工程方法”。以单边裂纹板为例 ,应用随机有限元进行全塑性无量纲断裂参数及其对基本随机变量变化率表值的计算 ,借助表值 ,通过插值进行断裂参数的计算和弹塑性断裂随机分析。结果表明工程估算方法与直接随机有限元方法所得结果较接近。

基于切线模量理论的结构弹塑性断裂研究

为了拓宽结构弹塑性断裂的研究思路,丰富其研究方法,在研究切线模量理论的基础上,通过参数切线模量因子和断裂韧度的比较分析,得到基于线弹性断裂的弹塑性断裂临界应力计算方法。将衍生比例定律引入对裂纹尖端位移的线弹性断裂模型和大范围屈服模型的分析研究,可以建立求解非线性断裂应力的切线模量因子法。试验数据表明,该方法与COD方法具有等效的功能,且应用范围更为广泛。分析结果还表明,从材料的本构关系出发,通过改进表达的应变关系式可以推导出J积分的切线模量因子表达式,为求取J积分值提供新思路。

焊接结构的塑性断裂失效与防治

本文探讨了塑性断裂的发生过程和特征，分析了压力容器材料、使用载荷、充装情况、截面变化等因素对焊接结构塑性断裂的影响，并从设计、加工、使用、检验等环节提出了增加结构安全度、防止发生塑性断裂失效的技术措施。

复合型弹塑性断裂J积分参量的研究

从Ｊ积分定义出发，应用数学分析方法给出裂纹体受任意一空间载荷作用时的复合型Ｊ积分ＪＭ与各类载荷分量单独作用时的Ｊ积分之间的关系式。各载荷下的Ｊ积分均具有守恒性。用有限元方法对一种材料、两种结构的试样在复合型载荷作用下Ｊ积分的守恒性进行了分析和验证，对Ｊ积分概念在复合型弹塑性断裂分析中的应用及复合型Ｊ判据的建立进行了讨论。

热—机械载荷联合作用下含裂纹结构弹塑性断裂评定

本文利用新开发的热双重非线性有限元程序,计算了不同材质不同裂纹尺寸下的中心裂纹板试件,在单纯热应力作用下及热(?)机械载荷联合作用下的修正J积分J^0。对各种情况下的J^0变化趋势进行丁探讨,并以此为标准对已有的两种含二次应力的评定方法进行了评价。

加筋板弹塑性断裂的J积分计算

以EPRI断裂分析方法为基础,对符合Ramberg-Osgood应力应变关系的材料,结合筋板相互影响系数,提出一个考虑材料应变硬化性能的船体加筋板弹塑性断裂的J积分计算公式,采用有限元软件ANSYS进行数值模拟,并比较理论计算结果与有限元模拟结果。结果表明:理论计算结果比较接近有限元模拟结果,表明该理论模型能较好地反映加筋板的断裂规律与加筋条的止裂性能,可直接用于加筋板在疲劳载荷作用下的理论分析,对于船体结构弹塑性断裂分析具有重要的参考价值。

低温分离器失效的弹塑性断裂分析

低温分离器是管道输出的一个重要装置,由于在低温下工作,研究结构的安全问题非常重要。针对有防腐蚀内衬低温分离器在使用过程中的破坏失效问题,通过有限元计算低温分离器的应力分布,得到最大应力发生在封头与孔口处。由于温度应力的影响,有内衬低温分离器比无内衬最大应力要高。并以此最大应力作为参照力,通过弹塑性断裂力学理论给出低温分离器的破坏机理。

平面应力的弹塑性断裂窄带颈缩区模型

平面应力条件下，对低碳钢材料的弹塑性断裂提出了一个窄带颈缩区模型。利用颈缩区裂尖前缘的近似平面应变性质，求解带颈缩区的Dugdale模型及计入材料硬化性质的颈缩区尺寸，所得结果与经典的Dugdale模型、平面应力有限元模型及Dugdale损伤模型作了比较，结果表明，颈缩区模型是较好反映断裂现象，并给工程应用提供了一个理论基础。

工程弹塑性断裂随机分析的多维插值方法

为解决用确定性有限元或已有无量纲断裂参数表值时进行弹塑性断裂随机分析的问题，本文研究了利用数值插值方法进行随机参数计算的可行性。以单边裂纹板为例，根据确定性有限元计算的无量纲断裂参数表值，通过多维插值计算获得断裂参数及其对基本随机变量变化率，应用“弹塑性断裂随机分析的工程方法”进行弹塑性断裂随机分析。算例表明在敏感区用插值方法计算的结果小于用随机有限元方法计算的结果。

表面裂纹弹塑性断裂参数的估算和测试

本文提出了一种计算模型,用以估算带半椭圆表面裂纹幂硬化板材的弹塑性断裂参数。用该模型估算的表面裂纹最深点的应力强度因子K值与New-man-Raju 公式计算的K值吻合良好、弹塑性J积分值与Nikishkov-Atluri的三维有限元结果基本相符。用表面裂纹LD10CZ板材测定的表面裂纹嘴张开位移δ_m和J积分值与计算模型估算的δ_m和J值的误差不超过10%。在σ/σ_0> 0.5时,J与a_m有线性关系。

弹塑性断裂的内参量热力学分析 Ⅱ.弹塑性裂纹体的裂纹扩展

采用内参量热力学方法讨论弹性—理想塑性体的裂纹扩展,主要在下两方面有更进一步的理论分析。一是对弹塑性断裂力学中的各种能量关系作出了统一的整理,讨论了弹塑性裂纹体的裂纹扩展和塑性变形的驱动力与阻尼力,并给出了相应的过程准则表达式以及能用于弹塑性柔度标定的计算公式。二是以中心裂纹体为例,分析了裂纹扩展的热力学稳定性条件,明确弹塑性裂纹扩展的热力学稳定性的全局性条件是不能满足的,然后转而结合具体的极限势函数方程来讨论恒位移状态下满足稳定性的局域性条件的各有关情况,区分出裂纹失稳扩展—止裂、明显稳定扩展(撕裂)和缓慢稳定扩展三种情况,并举例给出了应变—裂纹长大和应力—应变的计算曲线。