冲击载荷作用下压力容器用金属材料动态断裂行为的研究

摘要

压力容器和输油输气管道的爆裂、止裂，核电站防护的冲击安全，建筑物和结构的抗震设计等领域都涉及结构材料动态断裂的性能评估和灾害对策研究。为保证这些可能承受动载荷金属构件的安全可靠，需要在设计中预防含裂纹构件在冲击载荷下的起裂和扩展，因此研究金属材料动态断裂行为的重要意义是不言而喻的。本文从理论、试验和数值模拟方面研究了冲击载荷作用下金属材料的动态断裂行为，主要研究内容包括以下几个方面:
　　 研究了中心裂纹板试样、双悬臂梁试样和三点弯曲试样在理想冲击载荷作用下，各种因素对于它们动态应力强度因子KI(t)的影响。分析中心裂纹板的计算结果表明动态应力强度因子的最大值一般发生在应力波与裂尖相互作用的时刻。双悬臂梁DCB试样模型在拉伸阶跃载荷的作用下，应力强度因子的动载系数可以近似用一个周期函数表示，它的变化周期与载荷加载点的位移变化周期相同。使用弹簧质量模型对三点弯曲试样的动态应力强度因子进行了求解，并使用此模型计算了试样在三种理想冲击载荷下的动态应力强度因子变化曲线;同时进行了完全的动态有限元分析，将计算结果与弹簧质量模型的结果进行了比较。
　　 在-196℃下对S30408奥氏体不锈钢的母材和焊缝进行了夏比摆锤冲击试验研究。使用改进型柔度变化率法得到了低温下不锈钢母材夏比冲击试样的起裂点，通过对比发现改进型法得到的结果比传统的柔度变化率法得到的结果更加准确。根据试验得到的载荷位移曲线，结合Schindler方法和关键曲线法各自所得结果的优点，研究得到了不锈钢母材的动态J积分裂纹扩展阻力曲线(动态J-R曲线)。依据不锈钢焊缝在低温动载下的载荷位移曲线及其断裂特征，采用线弹性断裂力学模型计算了其动态断裂韧性，并对结果的有效性进行了讨论。
　　 对典型压力容器用钢Q345R预制裂纹夏比冲击试样进行示波冲击试验，得到其载荷位移曲线。分别采用J积分增量方程计算方法和Schindler方法计算得到了Q345R材料在冲击加载速率下的动态裂纹扩展阻力曲线，并将两者结果进行了对比验证。将所得到的动态J-R曲线与准静态加载条件下得到的J-R曲线结果进行分析，发现动态加载条件下的J-R曲线要高于准静态加载下相应的结果。根据得到的试验数据建立了Q345R准静态和动态裂纹扩展阻力曲线之间关系的计算方程。
　　 在-40℃下对Q345R材料进行了示波冲击试验，发现有预制疲劳裂纹的夏比冲击试样断口完全表现为解理断裂;而标准夏比冲击试样则在缺口处有少量的塑性变形，随后也发生解理断裂，得到的冲击功值更低。使用标准ASME E399中的准静态计算公式计算了两种试样的动态断裂韧性，并对结果进行了讨论。将断裂时间与试样振动周期比较验证了试验结果的有效性。应用大型通用有限元软件ABAQUS对Q345R材料在-40℃下的示波冲击试验进行了数值模拟，并采用基于节点位移外推法计算了在试样起裂时刻的动态应力强度因子，发现剔除裂尖附近的位移数据反而能增加计算结果的精度。
　　 使用ABAQUS有限元软件并结合3D断裂力学软件ZENCRACK建立了三维有限元模型，对霍普金森压杆测试材料动态断裂韧性进行了数值模拟研究，同时建立了二维平面应变有限元模型，并进行了计算。有限元模型包括整个实验装置——子弹、入射杆、试样和支座，对三种不同初始裂纹长度的三点弯曲试样在同一速度子弹打击下进行了计算。起裂时间通过RKR局部应力断裂准则获得，结合计算得到的动态应力强度因子冲击响应曲线，最终得到材料动态断裂韧性，并验证了其有效性。以试验结果为基准，将三维和二维有限元计算结果的对比，发现三维有限元的计算结果要优于二维模型的计算结果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 核安全壳中的热冲击问题

1．1．2 压力容器和压力管线的爆炸问题

1．2 研究现状与综述

1．2．1 理论研究

1．2．2 实验研究

1．2．3 数值模拟研究

1．3 本文研究目的和主要内容

第二章 冲击载荷作用下三种试样的动态响应研究

2．1 引言

2．2 阶跃冲击载荷作用下中心裂纹板试样的动态响应

2．2．1 动态有限元计算方法与结果讨论

2．2．2 几何尺寸对动态应力强度因子的影响

2．2．3 材料参数对动态应力强度因子的影响

2．3 阶跃冲击载荷作用下双悬臂梁试样的动态响应

2．3．1 阶跃载荷作用下双悬臂梁的近似理论分析

2．3．2 双悬臂梁试件在阶跃载荷作用下的有限元计算分析

2．4 弹簧质量模型求解三点弯曲试样的动态响应

2．4．1 弹簧质量分析模型模型

2．4．2 三类理想冲击载荷作用下的算例

2．5 本章小结

第三章 三点弯曲试样在摆锤冲击条件下的动态断裂研究

3．1 引言

3．2 夏比摆锤冲击实验

3．2．1 示波冲击实验简介

3．2．2 试样尺寸

3．3 -196℃奥氏体不锈钢母材与焊缝的动态断裂韧性研究

3．3．1 背景和意义

3．3．2 实验结果

3．3．3 分析讨论

3．4 低合金钢Q345R的断裂韧性研究

3．4．1 研究意义

3．4．2 准静态条件下Q345R的断裂韧性测试

3．4．3 Q345R动态断裂韧性研究背景

3．4．4 动态断裂韧性实验方法和结果

3．4．5 动态裂纹扩展阻力曲线的计算与讨论

3．4．6 不同加载速率条件下的J-R曲线之间的关系

3．5 本章小结

第四章 -40℃低温Q345R夏比冲击试验和数值模拟

4．1 引言

4．2 -40℃低温Q345R夏比冲击试验和数值模拟

4．2．1 背景和意义

4．2．2 实验结果

4．2．3 动态断裂韧性的计算和讨论

4．2．4 示波冲击试验结果有效性验证

4．2．5 有限元分析

4．3 本章小结

第五章 Hopkinson压杆测试材料动态断裂韧性

5．1 背景和意义

5．2 有限元模型的建立

5．2．1 几何尺寸与材料参数

5．2．2 三维有限元模型和网格划分

5．3 入射波精度验证

5．4 应力强度因子的有效性验证

5．5 局部应力断裂准则

5．6 二维有限元模型计算及与三维计算结果的比较

5．7 本章小结

第六章 全文总结和展望

6．1 全文工作总结

6．2 本文的主要创新之处

6．3 下一步研究工作展望

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间发表的学术论文