不同拘束效应对蠕变裂纹扩展影响的数值分析研究

【摘要】：在现代工业发展过程中,航空、化工、电力等领域为了提高能源的利用率及减少有害气体的排放,核心部件所处环境逐渐向高温、高压方向发展,与此同时,对材料性能要求也越来越高。在高温环境中,蠕变断裂是构件失效的主要形式之一。由于环境恶劣,构件破坏如果不能及时被阻止,将会引发严重的灾难性事故。在构件内部蠕变损伤累积受到环境温度、工作载荷、以及构件几何形状等因素的影响,由微小缺陷到发生蠕变断裂失效是一个缓慢的过程,所以在工程实际中蠕变断裂失效问题一直困扰着工程师。为了保证高温设备安全运行,需要对构件的剩余寿命进行精确评估,其中最重要就是研究构件材料的蠕变裂纹扩展(Creep Crack Growth,CCG)行为。蠕变裂纹扩展试验费时、费力,通过数值模拟技术去深入分析裂纹扩展行为,既准确又高效,还能研究裂纹尖端的应力、应变以及能量场分布情况。本研究,作者基于蠕变损伤力学,利用编程语言FORTRAN编写ABAQUS用户相关程序实现了蠕变裂纹自动扩展模拟,且模拟分析结果与现有的试验数据相吻合。裂纹尖端的拘束效应对蠕变裂纹的扩展行为有着重要的影响。本研究分析了试样几何形状、尺寸以及初始裂纹深度对蠕变裂纹扩展行为的影响,并且着重研究不同拘束对裂纹起裂时间、裂纹扩展速率的影响。作者首创性的对不同拘束对蠕变裂纹扩展行为的影响程度做了横向比较,发现:试样几何形状对蠕变裂纹扩展行为影响程度要大于几何尺寸;试样尺寸和初始裂纹深度对蠕变裂纹扩展行为的影响程度相接近。另外,系统性的研究了试样槽口深度、角度对蠕变裂纹扩展行为的影响,着重分析了不同槽口情况对裂纹起裂时间、试样裂纹尖端形貌以及裂纹扩展速率的影响。通过分析不同试样裂纹尖端应力三轴度、等效应力的分布情况,从力学角度阐述了试样槽口情况对蠕变裂纹扩展行为影响的内在机理。