收藏本站
《华东理工大学》 2014年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于应变的损伤力学模型及其在蠕变裂纹扩展数值模拟中的应用

温建锋  
【摘要】:蠕变裂纹扩展是高温下含缺陷构件寿命预测研究的关键问题,它依赖于温度、时间、环境、材料、载荷、几何结构以及多轴应力状态等多种因素。数值模拟可以深入分析实际结构及裂纹尖端附近应力、应变、能量及损伤随时间变化的复杂情况,因此得到了学术界和工业界越来越多的关注。 多轴应力下的蠕变本构方程和损伤演化模型是蠕变裂纹扩展数值模拟技术的核心基础,但其理论体系还尚未完善。例如,基于应力的模型中材料参数繁冗,需要耗费大量精力进行校准;基于应变的模型所采用的多轴延性因子或缺乏明确的物理意义,或仅在狭窄的多轴应力范围内有效。同时,由于三维裂纹问题的复杂性,目前表面蠕变裂纹扩展模拟的成功案例甚少。针对以上问题,本文一方面应用高温断裂力学理论进行三维表面裂纹扩展的模拟;另一方面,通过理论分析,力图建立新的蠕变本构方程和多轴蠕变延性模型,发展基于蠕变损伤力学的数值模拟技术,对高温下多种试样或结构的裂纹扩展速率和形貌变化进行分析,并与相应的试验数据进行对比。主要研究工作和结论如下: (1)将高温断裂力学理论与有限元方法进行结合,以600℃下受拉伸载荷作用的316不锈钢指甲盖形裂纹试样为研究对象,采用逐步分析方法对三维试样中的表面裂纹扩展进行了数值模拟。与前人试验结果对比,发现基于高温断裂力学的有限元方法可以合理地描述表面蠕变裂纹的形貌变化,但预测的裂纹扩展寿命是实际试验时间的2-3倍。 (2)从微观力学的角度出发,构造了新的与损伤耦合的蠕变本构方程。并在此基础上编写了相应的ABAQUS子程序,模拟了600℃下的316不锈钢和550℃的T91钢多种试样中的蠕变裂纹扩展行为。研究发现,与广泛接受的Kachanov-Rabotnov模型相比,本文提出的与损伤耦合的蠕变本构方程能更好地描述损伤变量对蠕变速率的影响;和Liu-Murakami模型相比,本文提出的模型能更好地描述多轴应力状态对蠕变速率的影响,并改善有限元预测结果对于网格尺寸的依赖性。与相应试验结果进行的对比表明,本文发展的基于蠕变损伤力学的数值模拟技术不仅能够准确地预测裂纹形貌,也能合理地估计裂纹扩展的时间,证明了本文所提出的蠕变损伤模型的预测能力。 (3)基于幂律蠕变控制孔洞长大理论,提出了新的多轴蠕变延性模型。该模型和应用广泛的Cocks-Ashby近似模型相比,计算得到的孔洞长大速率与理论值的吻合程度要更好,预测的多轴蠕变断裂应变在高应力三轴度下和试验数据更为一致,且克服了Cocks-Ashby多轴蠕变延性因子在双轴应力比为负值时不适用的缺陷。在此基础发展了有限元模拟方法,分析了550℃下316H不锈钢紧凑拉伸试样和C型试样中的蠕变裂纹扩展行为,并与相应的试验结果以及前人的模拟结果进行了比较,再次验证了蠕变损伤模型和相关数值模拟技术的可行性。 (4)分别基于前述章节发展的高温断裂力学及蠕变损伤力学有限元方法,以拉伸载荷作用平板中的双半椭圆形表面蠕变裂纹为对象,研究了它们相互干涉、扩展及合并的全过程,并考核了现有合并准则在高温蠕变机制下的适用性。研究发现,当两个表面蠕变裂纹之间的最短距离大于裂纹的深度时,几乎是独立扩展的;进一步靠近时,它们的相邻区域的扩展量要明显大于其他区域;接触后,新合并裂纹的凹陷的部分体现出了显著较高的裂纹扩展速率;最后,在很短的时间内凹角处趋于平滑,整个裂纹形状再次变得饱满。在所分析的材料参数范围内,API579和GB/T19624建议的合并准则对于蠕变条件下的缺陷显得过于保守。
【学位授予单位】:华东理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:O346.1

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈建钧;史进;涂善东;轩福贞;王正东;;BNi-2/0Cr18Ni9钎焊接头高温蠕变行为的试验研究及数值模拟[J];焊接学报;2006年03期
2 章青;刘宽;夏晓舟;杨静;;广义扩展有限元法及其在裂纹扩展分析中的应用[J];计算力学学报;2012年03期
3 张国栋;周昌玉;;焊接接头残余应力及蠕变损伤的有限元模拟[J];金属学报;2008年07期
4 涂善东;轩福贞;王卫泽;;高温蠕变与断裂评价的若干关键问题[J];金属学报;2009年07期
5 王飞,郭万林;钛合金材料IMI834高温蠕变和蠕变断裂的连续损伤力学分析[J];机械强度;2005年04期
6 温建锋;巩建鸣;涂善东;;内压圆筒中表面裂纹蠕变扩展的数值分析[J];机械强度;2012年01期
7 李录贤,王铁军;扩展有限元法(XFEM)及其应用[J];力学进展;2005年01期
8 张雄;刘岩;马上;;无网格法的理论及应用[J];力学进展;2009年01期
9 佘崇民;赵军华;于培师;郭万林;;三维裂纹端部应力场的三参数描述及等效厚度概念[J];中国科学:物理学 力学 天文学;2014年01期
10 赵光明,宋顺成;利用无网格伽辽金法分析材料稳态蠕变问题[J];力学季刊;2005年01期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 赵雷;考虑拘束效应的高温下含缺陷P92管道寿命评估方法研究[D];天津大学;2012年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张迪;;扩展有限元法在弹靶侵彻中的应用[J];重庆理工大学学报(自然科学);2012年05期
2 刘云川;李志华;李爱明;;热障涂层皱曲的力学模型研究进展[J];材料导报;2008年09期
3 刘学;段向兵;闫平;郑善合;;P91钢高温蠕变的数值研究[J];电力建设;2009年05期
4 赵鹏;轩福贞;涂善东;;超超临界汽轮机转子X12CrMoWVNbB10-1-1钢棘轮效应的试验研究[J];动力工程学报;2010年04期
5 刘华锋;王炜哲;蒋浦宁;刘应征;陈汉平;;超超临界汽轮机转子蠕变对低周疲劳应变的影响[J];动力工程学报;2010年09期
6 王海涛;曾向阳;;无网格法及其在声场数值计算中的应用[J];电声技术;2010年12期
7 郝秀云;;环氧模塑封装材料的蠕变损伤研究[J];电子与封装;2009年09期
8 金雪芹;张建;毕大森;;P91钢的热压缩动态组织演化数值模拟[J];锻压技术;2012年03期
9 鲍俊涛;李越胜;李树学;邱燕飞;;电站设备检验与管理技术发展现状及建议[J];发电设备;2008年05期
10 林铁军;练章华;曾晓健;陈勇;刘晓峰;;应用XFEM模拟研究钻杆裂纹扩展过程[J];重庆大学学报;2010年07期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 陈莘莘;李庆华;刘应华;;动力弹塑性分析的无网格自然单元法[A];塑性力学新进展——2011年全国塑性力学会议论文集[C];2011年
2 秦连城;杨道国;郝秀云;刘士龙;;微电子封装用高聚物的蠕变损伤研究[A];2003中国电子制造技术论坛暨展会暨第七届SMT、SMD技术研讨会论文集[C];2003年
3 王海涛;曾向阳;;B样条小波基无网格伽辽金封闭声场计算方法[A];2011'中国西部声学学术交流会论文集[C];2011年
4 李录贤;;有限元形状函数研究[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集(上)[C];2005年
5 高凌天;刘凯欣;刘颖;;无网格方法在冲击动力学中的应用[A];计算爆炸力学进展[C];2006年
6 鲁治诚;李录贤;;多尺度有限元法在复合材料热传导问题中的应用[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
7 傅向荣;陈新文;岑松;赵东;赵阳;蒋东英;田歌;张鹏;;复合材料层合板分层裂纹扩展的试验及数值模拟研究[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
8 刘岩;BELYTSCHKO Ted;张雄;;无网格支持域积分方法[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
9 周书涛;刘应华;陈莘莘;;基于自然单元法的极限上限分析[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
10 王东东;林振庭;;薄梁板问题HRK和RK无网格法的频散特性比较分析[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 孙顺凯;流体力学方程与扩散方程有限点方法的若干研究[D];中国工程物理研究院;2010年
2 周立明;不确定性结构的无网格伽辽金法研究[D];吉林大学;2011年
3 张俊兵;基于波谱单元法的结构动力分析[D];华中科技大学;2011年
4 陈旭光;高地应力条件下深部巷道围岩分区破裂形成机制和锚固特性研究[D];山东大学;2011年
5 邵珊珊;力及力—电耦合作用下微结构中扩散、应力和变形分析[D];华东理工大学;2011年
6 曹文炅;铸造充型过程SPH方法建模及数值模拟[D];华南理工大学;2011年
7 初蕾;Ni-Cr-Fe合金高温氧化成膜特性及氧化/碳化临界条件下膜组织演变规律的研究[D];中国海洋大学;2011年
8 黄鹏;金属及岩土冲击动力学问题的物质点法研究[D];清华大学;2010年
9 吴雪峰;激光加热辅助切削氮化硅陶瓷技术的基础研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
10 安俊超;多因素下乙烯裂解炉管焊接接头寿命预测研究[D];天津大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 刘婷;用无网格Galerkin法求解地下水流拟三维问题[D];辽宁师范大学;2010年
2 朱传锐;基于扩展有限元和水平集理论的裂纹扩展问题研究[D];河南理工大学;2010年
3 李炳奎;不同加载方式试样的蠕变裂尖拘束及其与管道裂尖拘束的相关性[D];华东理工大学;2011年
4 叶娟;应用超声Lamb波评价材料蠕变损伤的数值模拟与实验研究[D];华东理工大学;2011年
5 孙朋娟;试样几何引起的蠕变拘束效应及其定量化表征[D];华东理工大学;2011年
6 甘家贵;含局部减薄高温管道的极限载荷研究[D];华东理工大学;2011年
7 邝文川;基于非线性超声纵波的高温蠕变损伤检测与评价研究[D];华东理工大学;2011年
8 甘文兵;基于有限元和断裂力学的起重机结构故障诊断[D];武汉科技大学;2010年
9 班勇婷;玻璃板在局部冷却辅助下的激光热应力切割的仿真分析[D];浙江大学;2010年
10 王洋;含裂纹结构模糊随机无网格伽辽金法的研究[D];吉林大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 巩建鸣,涂善东,凌祥,喻红梅;焊接对HK40高温炉管的蠕变损伤与断裂的影响[J];材料工程;2000年11期
2 方修君;金峰;王进廷;;用扩展有限元方法模拟混凝土的复合型开裂过程[J];工程力学;2007年S1期
3 Bumjoon Kim;Byeongsoo Lim;;LOCAL CREEP EVALUATION OF P92 STEEL WELDMENT BY SMALL PUNCH CREEP TEST[J];Acta Mechanica Solida Sinica;2008年04期
4 郭万林;于培师;;构件三维断裂与疲劳力学及其在航空工程中的应用[J];固体力学学报;2010年05期
5 刘建杰;巩建鸣;姜勇;沈利民;耿鲁阳;尹基奉;;采用修正θ投影法预测Cr25Ni35Nb炉管钢的蠕变性能[J];机械工程材料;2011年01期
6 林华;;大型火力发电厂超超临界机组主蒸汽管SA335-P92钢焊接工艺研究[J];装备制造技术;2008年10期
7 轩福贞,涂善东,王正东;高温含缺陷结构与时间相关的失效评定图[J];核动力工程;2003年06期
8 陈建钧;史进;涂善东;轩福贞;王正东;;BNi-2/0Cr18Ni9钎焊接头高温蠕变行为的试验研究及数值模拟[J];焊接学报;2006年03期
9 张国栋;周昌玉;;管道对接间断焊与连续焊的有限元分析[J];焊接学报;2006年12期
10 张国栋;周昌玉;;焊接残余应力对焊接接头蠕变性能的影响[J];焊接学报;2007年08期
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 于培师;含曲线裂纹结构的三维断裂与疲劳裂纹扩展模拟研究[D];南京航空航天大学;2010年
2 赵军华;宏观结构的三参数三维断裂研究[D];南京航空航天大学;2008年
3 马崇;P92钢焊接接头IV型蠕变开裂机理及预测方法研究[D];天津大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前4条
1 陈玉新;小冲孔蠕变试验技术研究[D];南京工业大学;2004年
2 陈建钧;连续损伤力学有限元法在高温构件设计和焊接修复中的应用[D];南京工业大学;2003年
3 郭增才;超高速碰撞的跨尺度数值模拟[D];清华大学;2004年
4 鲍俊涛;SS主蒸汽管线的损伤分析及高温失效评定[D];南京工业大学;2006年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 袁龙蔚;流变学的新进展[J];大自然探索;1986年03期
2 董聪,夏人伟;疲劳裂纹扩展寿命预测概率模型[J];强度与环境;1994年04期
3 杨继运,张行,张珉;裂纹扩展阻力曲线与试样厚度关系[J];北京航空航天大学学报;2003年07期
4 覃森;潘亦苏;罗征志;;涂层中裂纹应力强度因子的计算及裂纹扩展[J];重庆工学院学报(自然科学版);2007年06期
5 高玉华;汪洋;程长征;;广义T应力对裂纹应力强度因子的影响[J];中国科学技术大学学报;2009年12期
6 马泽玲;虎旭林;;三维无单元法模拟裂纹扩展[J];宁夏大学学报(自然科学版);2011年01期
7 唐照千,沈亚鹏;裂纹扩展的涡流检测法和扩展速度变化规律的实验观察[J];力学学报;1980年02期
8 翟奇愚;张伟;;混凝土虛裂紋模型的数值模拟与计算规律的研究[J];华北水利水电学院学报;1989年02期
9 傅玉成;岩石裂纹扩展的灰色拟合[J];力学与实践;1992年06期
10 韩一红;郭万林;傅详炯;;短裂纹闭合的尺寸效应分析[J];应用力学学报;1993年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 朱伯靖;石耀霖;;同震断层三维裂纹扩展问题研究(Ⅰ数学模型)[A];中国地球物理学会第二十四届年会论文集[C];2008年
2 郭馨艳;黄培彦;;预应力CFL增强RC梁裂纹扩展规律研究[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
3 李地元;李夕兵;李春林;;压应力作用下硬岩板裂裂纹形成的微观断裂分析[A];岩石力学与工程的创新和实践:第十一次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2010年
4 陈良贤;李成明;陈飞;刘政;黑立富;吕反修;;疲劳载荷下金刚石自支撑膜的裂纹扩展[A];2009年全国失效分析学术会议论文集[C];2009年
5 刘绍伦;;关于裂纹扩展路径问题的研究[A];北京力学学会第12届学术年会论文摘要集[C];2006年
6 陈梦谪;尹桂全;柯俊;;Icr13钢等温及回火碳化物特征及其对一次裂纹扩展的电镜观察[A];第三次中国电子显微学会议论文摘要集(二)[C];1983年
7 屠晓利;陈玉田;费寿林;;用高速摄影研究冲击破碎过程[A];岩石破碎理论与实践——全国第五届岩石破碎学术会论文选集[C];1992年
8 刘朝丰;阳建红;;复合固体推进剂Ⅰ型裂纹端部损伤场研究[A];中国宇航学会固体火箭推进第22届年会论文集(推进剂分册)[C];2005年
9 张电吉;汤平;;岩质边坡开挖卸荷破坏机理研究[A];新世纪岩石力学与工程的开拓和发展——中国岩石力学与工程学会第六次学术大会论文集[C];2000年
10 姜燕;乐金朝;;沥青路面Ⅰ型裂纹扩展的理论分析与数值仿真[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 牧果;硬件过关才能保安全[N];中国化工报;2009年
2 记者 甘丰录;海工装备“脆骨”隐患令人忧[N];中国船舶报;2009年
3 通讯员 业成;新技术为我市石化企业节约50%检测成本[N];南京日报;2009年
4 夏杰生;我国球墨铸铁轧辊激光表面强化技术达国际先进水平[N];中国冶金报;2007年
5 鲁京;助磨剂的作用原理[N];中国建材报;2008年
6 杨慎勤;“声发射”探伤把关埋件质量[N];中国水利报;2001年
7 胡心彬 李麟 吴晓春;4Cr5MoSiV1Nb钢热疲劳软化性能的研究[N];世界金属导报;2004年
8 赵占庶;钢化玻璃的特性及其应用[N];中国建材报;2008年
9 ;走进水泥金属耐磨材料[N];中国建材报;2009年
10 卢洪波;走进水泥金属耐磨材料[N];中国建材报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 涂文锋;16MnR钢疲劳裂纹扩展形貌和扩展路径的试验研究与数值模拟[D];浙江工业大学;2009年
2 张天会;新型低碳贝氏体钢焊接接头疲劳裂纹扩展可靠性研究[D];昆明理工大学;2012年
3 郑三龙;挤压AZ31B镁合金及纯镁疲劳裂纹扩展研究[D];浙江工业大学;2013年
4 温建锋;基于应变的损伤力学模型及其在蠕变裂纹扩展数值模拟中的应用[D];华东理工大学;2014年
5 朱明亮;汽轮机转子钢近门槛值区的裂纹扩展与超高周疲劳行为研究[D];华东理工大学;2011年
6 丁振宇;过载作用下疲劳裂纹扩展行为的内在机理研究[D];浙江工业大学;2013年
7 沈健;大体积桥塔既有裂纹在温度疲劳荷载下扩展概率研究[D];武汉理工大学;2013年
8 贺启林;基于J-积分和构型力理论的材料断裂行为研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 李智军;三维复杂力学条件下核电关键构件环境致裂预测方法研究[D];西安科技大学;2012年
10 宋占勋;焊接结构疲劳强度研究及其应用[D];北京交通大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈黎明;球磨机筒体应力的三维有限元分析及其剩余寿命预测研究[D];中南大学;2004年
2 梅继法;纳米尺度黏着接触和裂纹扩展的准连续介质方法研究[D];复旦大学;2010年
3 牛海燕;裂隙岩体锚固效应数值模拟研究[D];山东大学;2010年
4 冒小萍;应力断料中裂纹扩展的数值模拟研究[D];兰州理工大学;2004年
5 杨达;基于ANSYS分析的加氢反应器裂纹扩展研究[D];东北石油大学;2010年
6 莫涛;SUS304不锈钢裂纹尖端的室温蠕变现象及其对疲劳裂纹扩展行为的影响[D];大连理工大学;2005年
7 郑选荣;沥青混凝土加铺层反射裂缝的形成与扩展研究[D];西安科技大学;2005年
8 赵颜辉;装药结构对爆炸能量传递影响的试验研究[D];安徽理工大学;2005年
9 王燕;复杂地质条件海底隧道顶板厚度研究[D];山东大学;2005年
10 肖方红;基于小裂纹扩展的疲劳全寿命计算方法研究[D];西北工业大学;2001年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026