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基于延性材料RVE破斷行為的結構完整性評價(jià)基礎問(wèn)題研究論文
核電、化工、油氣工程用壓力容器、管道等關(guān)鍵結構件在服役過(guò)程中因制造工藝或運行損傷將產(chǎn)生一些缺陷，即使采用無(wú)損檢測發(fā)現并修復也難以避免缺陷存在。若按照無(wú)缺陷設計標準評估，一些服役設備與構件被直接報廢而造成巨大浪費。因此，為確保含缺陷結構的安全運行，開(kāi)展缺陷對設備安全性與可靠性影響的完整性評價(jià)有重要工程意義并產(chǎn)生很高的經(jīng)濟效益。隨著(zhù)疲勞與斷裂力學(xué)的發(fā)展，國際上逐步形成了兼顧安全可靠性和經(jīng)濟性的結構完整性評價(jià)規范，如歐洲含缺陷結構完整性評定規范 SINTAP、英國中央電力局(CEGB)頒布的用于高溫下含缺陷結構完整性評定的 R5 規范和室溫下含缺陷結構完整性評定 R6 規范、英國的含缺陷金屬結構可接受度評價(jià)規范 BS7910-2005、美國石油工程學(xué)會(huì )頒布的合于使用規范 API579以及我國對含缺陷壓力容器的安全評定的 GB/T19624-2004 規范、在用含缺陷壓力容器安全評定的 SAPV-95 規范等。在結構完整性評價(jià)中，多采用介于脆斷和延性失穩之間的雙判據準則的失效評定圖 FAD(Failure assessment diagram)分析方法來(lái)評估含缺陷結構在承受準靜態(tài)載荷時(shí)的安全性，采用基于 Paris 律的疲勞裂紋擴展分析方法進(jìn)行循環(huán)載荷下含缺陷結構的剩余疲勞壽命評估。
在 FAD 評定方法中，材料 RVE(Representative Volume Element，代表性體積單元)的單軸本構關(guān)系作為材料最基本的力學(xué)性能扮演了重要的角色，各評價(jià)規范根據能夠獲得的材料單軸本構關(guān)系的完整和真實(shí)程度，推薦了不同等級的失效評價(jià)方法。精確的材料單軸本構關(guān)系，可有效降低結構完整性評價(jià)結果的過(guò)保守性，從而使結構運行的經(jīng)濟效益得以更好地發(fā)揮。然而，由于試樣拉伸過(guò)程中的頸縮效應，尚無(wú)法實(shí)現延性材料 RVE 的單軸本構關(guān)系測定。目前，基于等直圓棒單軸拉伸試樣頸縮前的變形和應力測量方法已非常成熟，而頸縮后材料 RVE 的變形和應力測量雖在歷史上不同時(shí)期進(jìn)行了大量的研究嘗試，但至今未得到有效突破，使得相關(guān)延性材料大變形直至破壞的材料與結構強度問(wèn)題研究近乎停滯。Bridgeman 早在 1950 年代曾假設圓棒試樣圓弧狀頸縮輪廓和頸縮截面上應變均勻分布來(lái)修正頸縮后的應力，后來(lái) GiuseppeMirone、Truszkowski、Chen、Needleman 以及 Miran 等在 Bridgeman 應力修正基礎上，應用有限元差分法對圓棒試樣的頸縮過(guò)程進(jìn)行了分析。事實(shí)上，基于 Bridgeman 假設和后繼的應力修正假設所得結果均與大量的實(shí)驗觀(guān)察情況不符，相關(guān)方法一直未得到現行規范采用。另一類(lèi)方法是將等直圓棒拉伸實(shí)驗同頸縮變形的有限元模擬分析相結合，通過(guò)不斷調整本構關(guān)系模型參數反演求得材料 RVE 的單軸本構關(guān)系。在這些方法中，多采用在單軸等直試樣上構造初始缺陷的方式來(lái)實(shí)現頸縮模擬。然而，蔡力勛等的工作表明，冪律本構模型參數搜索方法不適用于非冪律硬化特征材料以及頸縮后硬化特征顯著(zhù)變化的材料，其近期工作還揭示出等直圓棒試樣的初始缺陷尺寸與位置對試樣頸縮變形的模擬存在顯著(zhù)影響。Mansoo Joun 用剛塑性有限元法實(shí)現了圓棒試樣的無(wú)缺陷頸縮模擬，并以載荷位移曲線(xiàn)為判據來(lái)反求材料全程單軸本構關(guān)系，但剛塑性有限元法本身的計算精度有待檢驗。至今國際上已有的工作均采用一種材料、一個(gè)試樣的實(shí)驗結果來(lái)檢驗模擬結果，其所得本構關(guān)系的唯一性和方法的普適性值得商榷。蔡力勛等借助漏斗圓棒試樣實(shí)現了延性材料 RVE 直至破壞的全程變形模擬，該方法尚需采用一個(gè)等直圓棒試樣來(lái)確定頸縮前的本構關(guān)系，用一個(gè)漏斗圓棒試樣確定材料頸縮后的本構關(guān)系，不宜用于宏觀(guān)尺度下有一定分散性但局部相對均勻的材料 RVE 本構關(guān)系確定。此外，也有研究采用基于微孔洞損傷的GTN 模型來(lái)預測材料的全程單軸本構關(guān)系，由于 GTN 模型參數繁多且參數確定困難，不利于確保結果唯一性。近來(lái)，蔡力勛等在基于單一漏斗試樣獲取延性材料 RVE 直至破壞的單軸全程本構關(guān)系的方法研究已取得了重要進(jìn)展。同時(shí)，對于材料 RVE 在不同應力狀態(tài)下的臨界破壞分析，Johnson-Cook 準則由于引入了表征應力狀態(tài)的應力三軸度、溫度和應變率對材料失效的影響而得到了較廣泛的應用。YingbinBao 等研究發(fā)現不同應力狀態(tài)下材料 RVE 的破斷應變與應力三軸度之間的關(guān)系并不符合 Johnson-Cook 模型。陳繼恩在 YingbinBao 工作的基礎上分別通過(guò)單調拉伸、單調壓縮和拉剪復合試驗對不同應力狀態(tài)下破斷應變與應力三軸度之間的關(guān)系作了一定的改進(jìn)。但是上述有關(guān)破斷應變與應力三軸度關(guān)系的研究中的不足之處在于，無(wú)論何種加載方式，應力三軸度均隨著(zhù)試樣變形的增加而呈現大幅波動(dòng)，而上述研究均采用一個(gè)無(wú)因次能量的積分方式對應力三軸度作平均化處理，由此得到的關(guān)系并不能體現材料 RVE 的本質(zhì)特征。本研究項目將研究材料 RVE 在拉壓、剪切以及復雜應力狀態(tài)下的全程本構關(guān)系，通過(guò)特殊試樣構形的設計使應力三軸度不隨試樣變形程度變化，從而獲得材料 RVE 在不同應力狀態(tài)下的破斷應變。
在結構完整性評價(jià)中，延性斷裂參量 J 積分是評定裂紋準靜態(tài)啟裂與擴展行為的重要基礎。對于 J 積分的測量，傳統的做法是采用足夠大尺寸的含裂紋標準試樣實(shí)驗測得最低的平面應變斷裂韌度 JIC。筆者在國家自然基金項目(11072205)的資助下，對獲取材料平面應變斷裂韌度的理論方法和測試技術(shù)進(jìn)行了較系統的研究，柔度法和載荷分離法的創(chuàng )新成果已被新版國家斷裂測試規范(GB/T21143-2014-金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度統一試驗方法)所采納。近幾十年，盡管筆者以及國內外同行在平面應變材料斷裂韌度獲取方法上取得了公認的系統進(jìn)展，然而，實(shí)際含缺陷結構由于較低的拘束度而具有較高的斷裂韌度，僅采用平面應變條件下的斷裂韌度對結構進(jìn)行完整性分析會(huì )較大程度低估結構的抗斷裂性能，致使結構設計安全裕度過(guò)高。雖然以 J-Q、J-A2等為代表的雙參數斷裂理論可以將含缺陷結構的斷裂韌度和裂尖拘束度相聯(lián)系來(lái)指導結構的斷裂性能評價(jià)，但在裂紋前緣不同位置裂紋啟裂狀態(tài)會(huì )受不同拘束度影響，因而斷裂韌度 JC或 JIC 反映的是裂紋前緣平均啟裂效應，會(huì )影響材料斷裂評價(jià)的精確度。因此，基于裂紋前緣材料 RVE 的變形與破壞特征，開(kāi)展結構裂紋破壞機理研究，實(shí)現具有不同裂尖拘束度的延性斷裂阻力曲線(xiàn)的理論或數值預測具有重要意義。對準靜態(tài)下材料斷裂韌度 JC 特別是 J 阻力曲線(xiàn)實(shí)現理論預測關(guān)鍵在于建立裂紋啟裂和擴展準則。對于延性材料啟裂，Erdogan、Sih、Theocaris、Papadopoulos 等曾提出過(guò)若干啟裂準則，但由于歷史上難以獲得材料 RVE 直至破壞的全程單軸本構關(guān)系，致使基于各類(lèi)啟裂準則的裂紋啟裂預測能力不高。在 I 型裂紋延性擴展準則研究方面，Sih 和 Zhu 根據裂紋擴展過(guò)程中的應變能密度閾值提出了 I 型裂紋擴展準則，但預測結果與實(shí)驗結果偏離較大。對于橢圓表面裂紋的延性擴展行為預測方面，Qian 采用實(shí)驗和有限元模擬相結合的方式對受拉橢圓表面裂紋的準靜態(tài)啟裂和擴展行為預測進(jìn)行了嘗試，預測結果與實(shí)驗觀(guān)察存在較大差異。此外，近年有較多研究采用基于材料微孔洞損傷的 GTN 模型來(lái)模擬裂紋的準靜態(tài)延性擴展行為，但是，GTN 模型參數眾多，其參數的確定涉及微觀(guān)實(shí)驗、人為調試等復雜因素，GTN 模型的預測能力究竟如何尚需進(jìn)一步考察。Hutchinson 等通過(guò)引入剪切破壞參量 kω對 GTN 模型進(jìn)行了改進(jìn)，采用單軸拉伸、I 型裂紋準靜態(tài)斷裂和剪切三種宏觀(guān)試驗來(lái)確定模型參數，減少了原 GTN 模型通過(guò)微觀(guān)觀(guān)察確定參數的復雜性;然而，該研究中仍存在單軸本構關(guān)系獲取方法不當、誤差累積明顯等亟待完善的問(wèn)題。如上所述，對于不同拘束度的 I 型裂紋試樣以及工程中常見(jiàn)的橢圓表面裂紋、深埋橢圓裂紋、角裂紋等 I 型結構裂紋的擴展問(wèn)題，在基于材料 RVE 全程本構關(guān)系的理論預測方面的研究至今在國內外少見(jiàn)文獻報道。
綜上所述，作為具有局部大變形破壞的結構完整性評價(jià)的重要內容，有關(guān)延性材料 RVE 的單軸本構關(guān)系、材料斷裂韌性和結構裂紋的準靜態(tài)和疲勞擴展行為的研究尚存在基礎性不足。本項目擬開(kāi)展“基于延性材料 RVE 破斷行為的結構完整性評價(jià)基礎問(wèn)題研究”，探索基于單試樣獲取延性材料 RVE 直至破壞的全程單軸本構關(guān)系的方法，研究材料在復雜加載條件下的臨界破壞機理，以此為基礎發(fā)展含裂紋結構的準靜態(tài)啟裂與擴展行為理論預測方法;開(kāi)展延性材料RVE 含大變形破壞的低循環(huán)疲勞行為研究，通過(guò)在結構裂紋尖端塑性區中考慮低循環(huán)疲勞損傷來(lái)建立描述含裂紋結構的疲勞裂紋擴展行為的理論方法。研究成果將為含缺陷結構完整性評價(jià)方法的進(jìn)一步完善提供重要的理論方法和技術(shù)支撐，具有廣闊的應用前景。
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