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AP1000核电安全端异种金属焊接接头结构的局部断裂和力学行为

卢宇  
【摘要】:本文对AP1000核电安全端异种金属焊接接头结构建立了三维有限元力学模型,用嵌含有GTN损伤模型的有限元数值模拟方法,计算研究了接头区不同位置和尺寸的内表面环向裂纹的局部断裂和接头结构的宏观力学行为。通过接头结构的宏观载荷-转角曲线(M-θ曲线)及裂纹扩展阻力曲线(CTOD-Aa曲线)的计算、各特征载荷(极限载荷、起裂载荷、穿透载荷、失稳载荷等)的定义与确定、裂尖应力-应变场的计算及裂纹扩展形态与路径的观察,分析研究了裂纹位置、材料性能失配、初始裂纹尺寸、堆焊层与焊缝结构尺寸、焊接热影响区和熔合区的局部材料力学性能等对接头结构局部断裂和力学行为的影响。得到了如下主要结果: (1)裂纹位置对接头结构的塑性变形和裂纹扩展COD阻力曲线有较大影响。裂纹位于材料界面时的COD阻力曲线比裂纹分别位于界面两侧材料时的COD阻力曲线低,相应的结构各特征载荷及载荷-转角曲线下的面积小,结构承载能力低。界面裂纹和近界面裂纹裂尖前的塑性变形和三轴应力呈不对称分布,其高值主要偏向软材料一方,裂纹也向软材料一方扩展。安全端接头结构的断裂过程和力学行为主要受控于裂尖区局部材料的拉伸力学性能(真应力-应变曲线)、延性裂纹扩展阻力及局部强度失配。 (2)对于位于A508/Alloy52M界面区的裂纹,初始裂纹尺寸对大塑性变形后的宏观载荷-转角曲线、特征载荷、裂纹扩展阻力和LBB关键参数有较大影响。裂纹深而长(a/c小,a/t大)时,裂尖几何拘束增大,各特征载荷值和裂纹扩展阻力曲线降低。裂纹深度a/t一定时,随着裂纹长度的增加(a/c减小),接头结构的LBB安全边际减小 (3)焊缝宽度及堆焊层宽度对接头宏观力学行为有较大影响。焊缝宽度和堆焊层宽度越小,结构失稳载荷及对应的失稳转角值越小,结构承载能力降低,裂纹扩展阻力也降低。因此,在核电异种金属焊接接头结构设计时,焊缝宽度和堆焊层宽度不宜太小 (4)当裂纹位于A508#Alloy52Mb区域时,考虑热影响区和界面区局部材料性能时,焊接接头的宏观载荷-转角曲线包围的面积减小,各特征载荷值降低,表明接头结构的承载能力降低。因此,在核电安全端异种金属焊接接头结构的安全评定中,如果忽略热影响区及界面熔合区材料的局部力学和断裂性能时,可能得到非保守的不安全结果。


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