裂紋擴展的機理研究及管板開裂的數(shù)值模擬.pdf

1、斷裂是工程材料的主要失效形式，一些嚴(yán)重的斷裂問題在化工設(shè)備中經(jīng)常發(fā)生，為了防止或減少斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，必須對裂紋擴展的機理進行研究，人們按照裂紋的變形將裂紋分為三種基本形式，但是在工程實際中，大多數(shù)裂紋是由基本裂紋形式組成的復(fù)合型裂紋，因此，還必須研究裂紋轉(zhuǎn)型問題。本文從微觀和宏觀兩個方面對裂紋起裂和擴展的機理進行研究，并結(jié)合工程實踐對換熱器中的管板開裂進行模擬分析。
　　 首先從微觀上對Ⅰ型和Ⅱ型裂紋尖端的塑性區(qū)和無位錯區(qū)形狀和

2、大小進行了模擬并分析了塑性區(qū)和無位錯區(qū)對裂紋擴展的影響。結(jié)果表明，與宏觀斷裂力學(xué)算出的塑性區(qū)形狀相比，本文給出的Ⅰ型塑性區(qū)向裂紋前方傾斜，無位錯區(qū)的形狀與塑性區(qū)相似，但是隨著位錯的發(fā)射，塑性區(qū)越來越大，無位錯區(qū)越來越?。徊⒁詰?yīng)變能密度因子理論為判據(jù)，得出當(dāng)存在明顯的無位錯區(qū)時，塑性區(qū)使裂紋擴展的潛力下降，但擴展方向不變；而當(dāng)塑性區(qū)充分發(fā)展、無位錯區(qū)的作用減小或消失后，裂紋擴展的方向可能發(fā)生變化。Ⅱ型裂紋塑性區(qū)形狀與應(yīng)用線彈性裂紋前端應(yīng)力

3、場按von Mises屈服準(zhǔn)則求得的Ⅱ型裂紋塑性區(qū)形狀有所不同，本研究得出的Ⅱ型裂紋塑性區(qū)由三部分組成，且最大部分位于裂紋前方，裂尖周圍無位錯區(qū)形狀與塑性區(qū)形狀相似;從Ⅱ型裂紋裂尖發(fā)射的位錯能夠有效地屏蔽施加在裂紋上的外載荷，但發(fā)射出的位錯偶對裂紋沒有明顯的屏蔽作用。隨著Ⅱ型裂紋裂尖位錯的發(fā)射或塑性區(qū)的發(fā)展，裂紋擴展變得越來越困難，而裂紋潛在的擴展方向不會改變。
　　 其次從宏觀上對帶側(cè)斜裂紋的緊湊拉伸試件進行了疲勞裂紋擴展的實

4、驗研究和裂紋尖端應(yīng)力強度因子的數(shù)值計算，研究了復(fù)合型裂紋的轉(zhuǎn)型擴展問題。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著裂紋擴展，側(cè)斜裂紋表面逐漸轉(zhuǎn)向與外載荷垂直的方向，意味著裂紋從Ⅰ+Ⅲ復(fù)合型逐漸向Ⅰ型裂紋轉(zhuǎn)化，且側(cè)斜角越大，裂紋轉(zhuǎn)型越快；對于不同側(cè)斜角試件，Ⅲ型應(yīng)力強度因子是不同的，但是Ⅰ型應(yīng)力強度因子變化不大。裂紋轉(zhuǎn)型主要由Ⅲ型成分控制，其轉(zhuǎn)型速率可以表示成Ⅲ型應(yīng)力強度因子相對幅值的函數(shù)；而疲勞裂紋擴展速率主要由Ⅰ型成分控制。
　　 然后，對疲勞試件進行斷

5、面分析，研究復(fù)合型裂紋轉(zhuǎn)型擴展過程中斷口形貌的變化以及和裂紋組分之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三種試件疲勞斷口的疲勞源呈多源性，裂紋均萌生于緊湊拉伸試件線切割缺口處的微裂紋。與裂紋面不側(cè)斜的標(biāo)準(zhǔn)試件相比，帶側(cè)斜角裂紋試件斷面在疲勞源區(qū)形成了更為粗大的撕裂棱，不同撕裂棱之間的臺階形成了側(cè)斜角試件的線切割斜面；轉(zhuǎn)型過程中試件的斷裂面較為粗糙，斷口上存在較為粗大的撕裂棱和二次裂紋，而且在二次裂紋周圍出現(xiàn)了分支裂紋，說明Ⅲ型成分的存在促進了二次裂紋和撕

6、裂棱的形成。轉(zhuǎn)型后試件的斷裂面相對平坦，試件表面的撕裂棱和二次裂紋尺寸變細。
　　 最后對一管殼式換熱器管板開裂原因進行了研究。建立了液壓脹接接頭的三維有限元模型，模擬了液壓脹接過程并得到了管板中的脹接殘余應(yīng)力；建立了含裂紋管板有限元模型，研究了在液壓脹接殘余應(yīng)力或橫向壓力作用下裂紋沿厚度或管橋方向發(fā)生穿透性擴展的可能性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在脹接殘余應(yīng)力作用下，不管沿管板厚度還是管橋方向裂紋始終保持張開狀態(tài)，而橫向載荷作用下，在彎曲壓應(yīng)