基于应变的损伤力学模型及其在蠕变裂纹扩展数值模拟中的应用

资料来自用户(Grace)上传,若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权,请点击版权申明
导师姓名
涂善东  高信林
学科专业
动力工程及工程热物理
文献出处
华东理工大学   2014年
关键词
蠕变模型论文  蠕变损伤论文  裂纹扩展论文  多轴破断论文  有限元分析论文
论文摘要

蠕变裂纹扩展是高温下含缺陷构件寿命预测研究的关键问题,它依赖于温度、时间、环境、材料、载荷、几何结构以及多轴应力状态等多种因素。数值模拟可以深入分析实际结构及裂纹尖端附近应力、应变、能量及损伤随时间变化的复杂情况,因此得到了学术界和工业界越来越多的关注。多轴应力下的蠕变本构方程和损伤演化模型是蠕变裂纹扩展数值模拟技术的核心基础,但其理论体系还尚未完善。例如,基于应力的模型中材料参数繁冗,需要耗费大量精力进行校准;基于应变的模型所采用的多轴延性因子或缺乏明确的物理意义,或仅在狭窄的多轴应力范围内有效。同时,由于三维裂纹问题的复杂性,目前表面蠕变裂纹扩展模拟的成功案例甚少。针对以上问题,本文一方面应用高温断裂力学理论进行三维表面裂纹扩展的模拟;另一方面,通过理论分析,力图建立新的蠕变本构方程和多轴蠕变延性模型,发展基于蠕变损伤力学的数值模拟技术,对高温下多种试样或结构的裂纹扩展速率和形貌变化进行分析,并与相应的试验数据进行对比。主要研究工作和结论如下:(1)将高温断裂力学理论与有限元方法进行结合,以600℃下受拉伸载荷作用的316不锈钢指甲盖形裂纹试样为研究对象,采用逐步分析方法对三维试样中的表面裂纹扩展进行了数值模拟。与前人试验结果对比,发现基于高温断裂力学的有限元方法可以合理地描述表面蠕变裂纹的形貌变化,但预测的裂纹扩展寿命是实际试验时间的2-3倍。(2)从微观力学的角度出发,构造了新的与损伤耦合的蠕变本构方程。并在此基础上编写了相应的ABAQUS子程序,模拟了600℃下的316不锈钢和550℃的T91钢多种试样中的蠕变裂纹扩展行为。研究发现,与广泛接受的Kachanov-Rabotnov模型相比,本文提出的与损伤耦合的蠕变本构方程能更好地描述损伤变量对蠕变速率的影响;和Liu-Murakami模型相比,本文提出的模型能更好地描述多轴应力状态对蠕变速率的影响,并改善有限元预测结果对于网格尺寸的依赖性。与相应试验结果进行的对比表明,本文发展的基于蠕变损伤力学的数值模拟技术不仅能够准确地预测裂纹形貌,也能合理地估计裂纹扩展的时间,证明了本文所提出的蠕变损伤模型的预测能力。(3)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。该模型和应用广泛的Cocks-Ashby近似模型相比,计算得到的孔洞长大速率与理论值的吻合程度要更好,预测的多轴蠕变断裂应变在高应力三轴度下和试验数据更为一致,且克服了Cocks-Ashby多轴蠕变延性因子在双轴应力比为负值时不适用的缺陷。在此基础发展了有限元模拟方法,分析了550℃下316H不锈钢紧凑拉伸试样和C型试样中的蠕变裂纹扩展行为,并与相应的试验结果以及前人的模拟结果进行了比较,再次验证了蠕变损伤模型和相关数值模拟技术的可行性。(4)分别基于前述章节发展的高温断裂力学及蠕变损伤力学有限元方法,以拉伸载荷作用平板中的双半椭圆形表面蠕变裂纹为对象,研究了它们相互干涉、扩展及合并的全过程,并考核了现有合并准则在高温蠕变机制下的适用性。研究发现,当两个表面蠕变裂纹之间的最短距离大于裂纹的深度时,几乎是独立扩展的;进一步靠近时,它们的相邻区域的扩展量要明显大于其他区域;接触后,新合并裂纹的凹陷的部分体现出了显著较高的裂纹扩展速率;最后,在很短的时间内凹角处趋于平滑,整个裂纹形状再次变得饱满。在所分析的材料参数范围内,API579和GB/T19624建议的合并准则对于蠕变条件下的缺陷显得过于保守。

论文目录
关闭目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 高温断裂力学理论

1.2.1 蠕变裂纹尖端应力场与C~*积分

1.2.2 裂尖断裂参量C~*的计算方法

1.2.3 其他高温断裂参量

1.3 蠕变损伤力学理论

1.3.1 单损伤变量模型

1.3.2 双损伤变量模型

1.3.3 多损伤变量模型

1.3.4 延性耗竭模型

1.4 蠕变裂纹扩展相关数值模拟技术

1.4.1 节点释放技术

1.4.2 自适应网格技术

1.4.3 单元失效技术

1.4.4 其他数值技术

1.5 目前研究存在的问题

1.6 课题研究的主要内容

第2章 基于高温断裂力学的蠕变裂纹扩展数值模拟

2.1 引言

2.2 有限元模型的建立

2.3 蠕变裂尖断裂参量的计算和验证

2.4 蠕变裂纹扩展量的确定

2.5 新裂纹轮廓的建立

2.6 基于断裂力学有限元方法的结果分析

2.6.1 蠕变裂尖断裂参量随时间的变化

2.6.2 蠕变裂纹形貌变化

2.6.3 试验结果和预测结果的对比

2.7 本章小结

第3章 多轴应力下与损伤耦合的蠕变本构模型

3.1 引言

3.2 新的蠕变本构方程的建立和验证

3.2.1 与损伤耦合的蠕变本构方程的推导

3.2.2 蠕变本构方程之间的对比

3.3 损伤演化方程

3.4 基于蠕变损伤力学的蠕变裂纹扩展数值模拟技术

3.4.1 材料参数及输入数据

3.4.2 单元失效技术

3.4.3 单轴蠕变断裂应变的确定

3.5 600℃下316不锈钢的蠕变裂纹扩展分析

3.5.1 C(T)试样的蠕变裂纹扩展分析

3.5.2 与Liu-Murakami模型的数值模拟结果对比

3.5.3 表面裂纹拉伸试样的蠕变裂纹扩展分析

3.6 550℃下T91钢表面裂纹板的裂纹扩展分析

3.7 本章小结

第4章 基于微观蠕变孔洞长大理论的多轴蠕变延性模型

4.1 引言

4.2 多轴蠕变延性模型的建立与验证

4.2.1 微观孔洞长大机制

4.2.2 幂律蠕变控制孔洞长大理论

4.2.3 多轴蠕变延性因子的建立

4.2.4 多轴蠕变延性因子的验证

4.3 微裂纹对蠕变本构的影响

4.4 550℃下316H不锈钢的蠕变变形与蠕变裂纹扩展分析

4.4.1 与单轴蠕变试验数据的对比

4.4.2 CS(T)试样的蠕变裂纹扩展分析

4.4.3 C(T)试样的蠕变裂纹扩展分析

4.5 本章小结

第5章 高温蠕变机制下的多裂纹干涉行为与寿命预测

5.1 引言

5.2 多裂纹间的干涉效应

5.2.1 有限元模型的建立与验证

5.2.2 线弹性条件和蠕变条件下的干涉效应

5.3 基于蠕变损伤力学有限元方法的预测

5.3.1 损伤力学有限元模型

5.3.2 损伤力学有限元分析的结果

5.4 基于高温断裂力学有限元方法的预测

5.4.1 断裂力学有限元模型

5.4.2 断裂力学有限元分析的结果

5.4.3 损伤力学和断裂力学有限元方法数值模拟结果的对比

5.5 基于简化处理方法的预测

5.5.1 基于缺陷合并准则的简化处理方法

5.5.2 蠕变裂尖断裂参量的参考应力法估算

5.5.3 缺陷合并准则的考核

5.6 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文的主要研究结论

6.2 本文的主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的科研情况

在线阅读全文下载
在线阅读全文下载