沖擊載荷作用下壓力容器用金屬材料動(dòng)態(tài)斷裂行為的研究.pdf

1、壓力容器和輸油輸氣管道的爆裂、止裂，核電站防護(hù)的沖擊安全，建筑物和結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)等領(lǐng)域都涉及結(jié)構(gòu)材料動(dòng)態(tài)斷裂的性能評(píng)估和災(zāi)害對(duì)策研究。為保證這些可能承受動(dòng)載荷金屬構(gòu)件的安全可靠，需要在設(shè)計(jì)中預(yù)防含裂紋構(gòu)件在沖擊載荷下的起裂和擴(kuò)展，因此研究金屬材料動(dòng)態(tài)斷裂行為的重要意義是不言而喻的。本文從理論、試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面研究了沖擊載荷作用下金屬材料的動(dòng)態(tài)斷裂行為，主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　 研究了中心裂紋板試樣、雙懸臂梁試樣和三

2、點(diǎn)彎曲試樣在理想沖擊載荷作用下，各種因素對(duì)于它們動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI(t)的影響。分析中心裂紋板的計(jì)算結(jié)果表明動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子的最大值一般發(fā)生在應(yīng)力波與裂尖相互作用的時(shí)刻。雙懸臂梁DCB試樣模型在拉伸階躍載荷的作用下，應(yīng)力強(qiáng)度因子的動(dòng)載系數(shù)可以近似用一個(gè)周期函數(shù)表示，它的變化周期與載荷加載點(diǎn)的位移變化周期相同。使用彈簧質(zhì)量模型對(duì)三點(diǎn)彎曲試樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了求解，并使用此模型計(jì)算了試樣在三種理想沖擊載荷下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子變化曲線

3、;同時(shí)進(jìn)行了完全的動(dòng)態(tài)有限元分析，將計(jì)算結(jié)果與彈簧質(zhì)量模型的結(jié)果進(jìn)行了比較。
　　 在-196℃下對(duì)S30408奧氏體不銹鋼的母材和焊縫進(jìn)行了夏比擺錘沖擊試驗(yàn)研究。使用改進(jìn)型柔度變化率法得到了低溫下不銹鋼母材夏比沖擊試樣的起裂點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)改進(jìn)型法得到的結(jié)果比傳統(tǒng)的柔度變化率法得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確。根據(jù)試驗(yàn)得到的載荷位移曲線，結(jié)合Schindler方法和關(guān)鍵曲線法各自所得結(jié)果的優(yōu)點(diǎn)，研究得到了不銹鋼母材的動(dòng)態(tài)J積分裂紋擴(kuò)展阻力曲

4、線(動(dòng)態(tài)J-R曲線)。依據(jù)不銹鋼焊縫在低溫動(dòng)載下的載荷位移曲線及其斷裂特征，采用線彈性斷裂力學(xué)模型計(jì)算了其動(dòng)態(tài)斷裂韌性，并對(duì)結(jié)果的有效性進(jìn)行了討論。
　　 對(duì)典型壓力容器用鋼Q345R預(yù)制裂紋夏比沖擊試樣進(jìn)行示波沖擊試驗(yàn)，得到其載荷位移曲線。分別采用J積分增量方程計(jì)算方法和Schindler方法計(jì)算得到了Q345R材料在沖擊加載速率下的動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展阻力曲線，并將兩者結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。將所得到的動(dòng)態(tài)J-R曲線與準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下得

5、到的J-R曲線結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載條件下的J-R曲線要高于準(zhǔn)靜態(tài)加載下相應(yīng)的結(jié)果。根據(jù)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了Q345R準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展阻力曲線之間關(guān)系的計(jì)算方程。
　　 在-40℃下對(duì)Q345R材料進(jìn)行了示波沖擊試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有預(yù)制疲勞裂紋的夏比沖擊試樣斷口完全表現(xiàn)為解理斷裂;而標(biāo)準(zhǔn)夏比沖擊試樣則在缺口處有少量的塑性變形，隨后也發(fā)生解理斷裂，得到的沖擊功值更低。使用標(biāo)準(zhǔn)ASME E399中的準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算公式計(jì)算了兩種試樣的動(dòng)態(tài)

6、斷裂韌性，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論。將斷裂時(shí)間與試樣振動(dòng)周期比較驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的有效性。應(yīng)用大型通用有限元軟件ABAQUS對(duì)Q345R材料在-40℃下的示波沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并采用基于節(jié)點(diǎn)位移外推法計(jì)算了在試樣起裂時(shí)刻的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子，發(fā)現(xiàn)剔除裂尖附近的位移數(shù)據(jù)反而能增加計(jì)算結(jié)果的精度。
　　 使用ABAQUS有限元軟件并結(jié)合3D斷裂力學(xué)軟件ZENCRACK建立了三維有限元模型，對(duì)霍普金森壓桿測(cè)試材料動(dòng)態(tài)斷裂韌性進(jìn)行了數(shù)值模擬