关于裂纹安全评定及TOFD检测标准的研究

摘要

裂纹是压力容器中危害最严重的缺陷之一，正确进行裂纹评定是含裂纹压力容器安全评估的基础。本论文采用数值分析和试验方法，结合断裂力学理论，对一些形式的裂纹扩展问题进行了深入研究，并就裂纹评定验收标准进行了初步探讨，主要内容如下:
　　 首先以压力容器中承受拉应力的埋藏单裂纹为研究对象，采用有限元方法计算其应力强度因子，分析埋藏裂纹的埋藏深度对应力强度因子的影响，研究发现:当埋藏深度与裂纹深度之比大于2时，裂纹尖端应力强度因子不受板厚的影响，且符合无限大体内埋藏裂纹解析解，此结论可作为界定深、浅埋藏裂纹的判据。研究还发现，无论是深埋裂纹还是浅埋裂纹，也不管椭圆形裂纹形状如何，应力强度因子最大值总是出现在椭圆短轴端点处。
　　 其次，本论文对埋藏双裂纹、表面双裂纹进行了研究，分析了裂纹间距、裂纹形状和壁厚对裂尖各点的应力强度因子的影响，得出了应力强度因子及其最大值与裂纹间距及形状之间的影响规律。计算结果表明:
　　 (1)对于埋藏双裂纹，在裂纹间距大于椭圆半长轴后，裂纹间的相互影响可以忽略不计;和埋藏单裂纹不同，由于裂纹间的相互影响，应力强度因子最大值并非总是出现在椭圆短轴端点处，特别当裂纹形状接近圆形时，裂纹尖端应力强度因子最大值出现在裂纹间最靠近的椭圆长轴端点处。
　　 (2)对于表面双裂纹，裂纹间距对表面裂纹的影响与埋藏裂纹相似，即当间距大于裂纹长度后，裂尖各点应力强度因子值基本不变，裂纹间相互影响可以忽略。与埋藏双裂纹不同的是，在裂纹形状满足一定条件时，应力强度因子最大值处于特定位置，不受裂纹间距的影响。
　　 (3)就构件厚度及裂纹之间的相互影响，以应力强度因子为参数，应用最小二乘法，在95％的置信区间内，得到了表面双裂纹与单裂纹以及裂纹前缘各点应力强度因子比值的表达式。
　　 再次，本论文对含有表面单裂纹的T型试样进行了数值模拟和拉伸实验，模拟和测量了不同尺寸、倾斜角的裂纹尖端区域的应力应变场，从微观角度研究了不同试样在拉断破坏后断面的形貌差异。
　　 然后，基于应变能密度因子的概念，本论文研究了被ASME-2235和GB/T1962采用的共面双裂纹包络合并方法，研究发现这种包络合并的方法不能正确评估双裂纹间的相互作用。为此，本论文提出了表面双裂纹的合并新方法，即基于应力强度因子的放大系数法，给出了放大系数计算公式，此公式在裂纹间距从0.05-5.0倍裂纹表面半长度的范围内有较高精度，且形式简单，应用简便。
　　 同时，本文运用数值模拟和实验的方法研究了表面双裂纹疲劳载荷作用下的扩展行为，分析了不同间距和不同初始形状对裂纹扩展的影响，得出了不同条件下的表面双裂纹扩展速率和形状演化规律，还利用扫描电镜观察分析了45＃钢疲劳断口形貌，发现45＃钢的疲劳断裂主要是解理断裂。
　　 最后，基于本文提出的表面共面双裂纹的合并新方法，给出了单裂纹、双裂纹允许的极限尺寸，有助于TOFD检验标准的编制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源及研究意义

1．2 断裂力学简介

1．2．1 线弹性断裂力学与弹塑性断裂力学

1．2．2 微观断裂力学

1．3 断裂力学的工程应用

1．3．1 断裂判据的研究及工程应用

1．3．2 裂纹的疲劳扩展

1．4 本文主要研究内容

第二章 拉伸载荷下单个椭圆形埋藏裂纹应力强度因子计算

2．1 应力强度因子的一些理论计算公式

2．2 应力强度因子有限元计算模型及计算方法

2．2．1 有限元方法简介

2．2．2 ANSYS中关于裂纹尖端应力强度因子的计算

2．2．3 拉伸载荷下单个椭圆形埋藏裂纹数值计算模型

2．3 应力强度因子数值计算结果及其影响因素

2．3．1 埋藏深度的影响

2．3．2 椭圆形状的影响

2．4 本章小结

第三章 拉应力作用下椭圆形双裂纹应力强度因子计算

3．1 共面双裂纹数值分析模型

3．2 埋藏双裂纹数值模拟结果

3．2．1 裂纹间距的影响

3．2．2 裂纹形状的影响

3．3 表面双裂纹数值模拟结果

3．3．1 裂纹间距的影响

3．3．2 裂纹形状的影响

3．3．3 表面共面双裂纹应力强度因子计算公式的拟合

3．4 本章小结

第四章 含缺陷45号钢T型试样拉伸断裂研究

4．1 T型拉伸试样材料及几何尺寸

4．2 实验过程

4．3 实验结果

4．3．1 载荷-位移关系

4．3．2 名义应力

4．4 裂纹周围应力应变场研究

4．4．1 有限元数值模拟

4．4．2 基于数字图像相关技术的实验观察

4．5 T型试样断裂表面微观观察

4．5．1 无缺陷试样的微观形貌(2c=0mm，α=0°)

4．5．2 含裂纹(2c=6mm,α=0°)试样的断口微观形貌

4．5．3 含倾斜裂纹(2c＝6mm，α＝30°)试样的断口微观形貌

4．6 本章小结

第五章 共面双裂纹合并方法的研究

5．1 应变能密度因子简介

5．2 共面双裂纹包络合并方法有效性分析

5．2．1 共面双裂纹包络合并方法介绍

5．2．2 包络合并方法的有效性分析

5．2．3 基于应力强度因子放大系数的共面双裂纹等效新方法

5．3 表面双裂纹合并过程数值模拟

5．4 表面双裂纹合并过程实验研究

5．4．1 试样材料及几何彤状

5．4．2 实验过程

5．4．3 实验结果

5．5 本章小结

第六章 超声波衍射时差法(TOFD)及允许裂纹尺寸

6．1 关于超声波衍射时差法(TOFD)

6．2 基于GB／T19624-2004求允许的裂纹尺寸

6．2．1 裂纹示意图

6．2．2 允许裂纹尺寸求解方法

6．2．3 基于GB／T19624-2004求得的允许裂纹深度

6．3 基于ASME标准求解允许裂纹尺寸

6．3．1 裂纹示意图

6．3．2 ASME标准简介

6．3．3 允许裂纹尺寸计算结果

6．4 基于应力强度因子放大系数求允许裂纹尺寸

6．5 三种计算结果的比较

6．6 本章小结

第七章 总结和后续研究的建议

7．1 主要结论

7．2 论文创新点

7．3 后续研究建议

参考文献

研究成果及发表的学术论文

致谢

导师简介

博士研究生学位论文答辩委员会决议书