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高应变SCT试样研究

蔡国栋  
【摘要】: 接管高应变区是压力容器的一个薄弱环节。实物容器试验表明:即使在容器 正常设计压力下,接管区峰值应力已大大超过材料的屈服极限,如果存在裂纹等 缺陷,这在该处发生失效破坏的概率最大;疲劳试验也表明,容器在循环载荷下 最先在该处穿透破坏,因此结构安全性研究的关键是高应变区的研究。但是,由 于该区域结构和应力应变场的复杂性,其疲劳与断裂问题至今仍未得到完满的解 决。本文利用结构分析软件ANSYS对SCT试样模拟结构高应变区进行了研究, 探索了结构高应变区疲劳裂纹扩展各控制参量的适用性和疲劳裂纹闭合效应,主 要研究成果如下: 1.本文探索了SCT试样模拟压力容器接管高应变区的有效性。对一系列几何 尺寸的无裂纹SCT试样进行了应力应变场的有限元计算,并与SCT试样的实验 应力测定作了比较。结论表明,SCT试样具有接管高应变区应力应变场的三大特 征。 2.本文研究了影响SCT试样应力应变场分布的各种几何尺寸因素,探讨了如 何通过调整各种几何尺寸来获得实际结构中不同应力应变场的方法。结论表明, 开孔直径的大小是影响SCT试样应力应变分布的主要几何因素,调整开孔直径 的大小,可以模拟任意接管的应力应变集中情况;而加强筋与中间减薄区的厚度 比以及加强筋宽度与试样的宽度之比是影响SCT试样应力应变分布的重要几何 因素。 3.本文对不同裂纹长度下的SCT试样,在线弹性条件下进行了应力强度因子 计算,以及在弹塑性条件下进行了J积分的计算,并作了比较。结论表明,当裂 纹尖端塑性区与裂纹长度之比较小时,应力强度因子适合作为疲劳裂纹扩展的控 制参量;而塑性区较大时,再用线弹性应力强度因子来描述疲劳裂纹扩展已不适 合。 4.本文利用均匀设计法,根据均匀设计方法,对SCT试样用有限元作了参量 化研究,再对结果进行了回归分析,得到了无裂纹时试样孔边应力集中系数的计 算公式,及有裂纹时试样裂纹控制参量J积分的计算公式。 5.本文运用裂纹嘴张开位移和裂纹尖端附近张开位移法两种方法来测定 SCT试样疲劳裂纹扩展的闭合效应。分析测量方法和测量结果表明,裂纹尖端附 近张开位移对疲劳裂纹闭合较敏感,测得的U值最小,在大多数情况下,裂纹 嘴张开位移法对疲劳裂纹闭合不敏感,测出得闭合参数U值比其他测点测到的 要大。裂纹面上各点随着离裂纹尖端距离的增加,测得的张开和闭合载荷逐渐下 降,U值逐渐增加。 6.在相同的循环载荷下,具有高应变塑性区试样的循环次数明显多于无高应 变塑性区试样,高应变塑性区内疲劳裂纹闭合效应加大,扩展速率减慢。


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