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基于参考应力法的均质拉伸试样高温蠕变断裂参量特性研究

作　者: 张婷
导　师: 胡兆吉
学　校: 南昌大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 蠕变断裂高温蠕变断裂参量参考应力裂纹尖端有限单元法紧凑拉伸试样 C形拉伸试样
分类号: TG115.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着石油、化工、核电、电力等领域中所用工业设备向高温、高压以及大型化方向发展,工艺对工业设备的效益,设备的安全可靠性提出了更高的要求。在这些领域的工业生产中,有大量的高温高压设备,并且这些在恶劣工况下服役的设备在制造过程中大都是采用焊接结构。经过长期的运转,高温蠕变裂纹失效成为了焊接结构的主要失效形式之一,也是危害设备长时间安全运行的主要因素。多年来,人们运用断裂力学思想来研究蠕变裂纹失效,并且提出了多个工程参数来表征、关联蠕变裂纹扩展速率。研究发现,反映材料老化、继效性的高温蠕变断裂参量C*是预测蠕变裂纹扩展最有效的一种。通常计算高温蠕变断裂参量C*是使用有限元方法,但是这种方法耗时长。英国前中央电力局提出了采用参考应力来计算高温蠕变断裂参量。这种方法克服了有限元方法耗时长等弱点,并能高效地得出高温蠕变断裂参量C*的计算结果。在用参考应力法对高温蠕变断裂参量进行求解的过程中,主要是对参考应力以及应力强度因子进行求解。由于不同试样的应力强度因子不同,并且诸多资料中均有介绍不同试样的应力强度因子的计算式,因此,本文的关键是求解参考应力。通过CEGB提出的高温结构评定规程——R5规程中介绍的有关参考应力的求解方法,对参考应力进行公式推导。参考应力的求解,关键是求出试样的极限载荷。根据R5规程所介绍的方法,对高温蠕变断裂参量进行分析计算。然后通过有限元方法,利用大型有限元分析软件ABAQUS对不同的拉伸试样裂纹尖端的蠕变断裂行为进行分析计算,将其分析计算的结果与参考应力方法所分析的结果进行分析比较,得出用参考应力方法对高温蠕变断裂参量进行估算的可行性。对参考应力法进行验证,结论如下：1)将极限载荷和应力强度因子概念以及求解方法引入到基于参考应力法的高温蠕变断裂参量C*的求解过程中。2)将参考应力法应用于紧凑拉伸试样(CT试样)以及C形拉伸试样中,并用大型有限元分析软件ABAQUS对试样进行分析求解,得到蠕变n,蠕变系数A,裂纹尺寸系数a／w等因素对高温蠕变断裂参量C*的影响,从而验证参考应力法在计算紧凑拉伸试样中裂纹尖端断裂参量的可行性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章引言  11-17
  1.1 课题的研究背景  11-12
  1.2 相关课题的研究现状  12-15
    1.2.1 断裂力学的发展  12-13
    1.2.2 有限元法对均质材料拉伸试样高温蠕变断裂参量C~*的求解  13-14
    1.2.3 参考应力法对均质材料拉伸试样高温蠕变断裂参量C~*的求解  14-15
  1.3 本文的研究思路和主要研究内容  15-17
    1.3.1 本文的研究思路  15
    1.3.2 本文的主要研究内容  15-17
第二章高温下裂纹扩展与断裂的原理  17-33
  2.1 引言  17
  2.2 蠕变裂纹扩展的基本特点  17-18
  2.3 裂纹尖端蠕变区  18-20
  2.4 高温蠕变断裂参量C~*  20-25
    2.4.1 回路积分定义  22-25
    2.4.2 能量释放率定义  25
  2.5 大范围蠕变的裂纹尖端应力场的描述  25-29
  2.6 小范围蠕变条件下的裂纹尖端应力场的描述  29-32
  2.7 本章小结  32-33
第三章基于参考应力法的裂纹高温蠕变断裂参量C~*的求解  33-42
  3.1 引言  33
  3.2 参考应力  33-37
    3.2.1 参考应力概述  33-35
    3.2.2 R5规程中参考应力的计算方法  35-37
  3.3 基于参考应力法的裂纹高温蠕变断裂参量的求解  37-41
    3.3.1 基于参考应力法的裂纹高温蠕变断裂参量的求解  37-38
    3.3.2 应力强度因子K  38-41
  3.4 本章小结  41-42
第四章基于参考应力法的CT试样高温蠕变行为研究  42-59
  4.1 引言  42
  4.2 CT试样模型的建立  42-43
  4.3 基于参考应力法的CT试样高温蠕变断裂参量的求解  43-48
    4.3.1 应力强度因子K_(Ic)  43-44
    4.3.2 极限载荷及参考应力计算  44
    4.3.3 基于参考应力法的均质CT试样高温蠕变断裂参量求解及特性分析  44-48
  4.4 参考应力法与有限元方法比较  48-58
    4.4.1 大型有限元分析软件ABAQUS简介  48
    4.4.2 CT试样有限元网格划分及蠕变过程  48-51
    4.4.3 高温蠕变断裂参量C~*与蠕变系数A的关系曲线  51-52
    4.4.4 高温蠕变断裂参量C~*与裂纹尺寸的关系  52-58
  4.5 本章小结  58-59
第五章基于参考应力法的C形拉伸试样高温蠕变行为研究  59-75
  5.1 引言  59
  5.2 C形拉伸试样模型的建立  59-60
  5.3 基于参考应力法的C形拉伸试样高温蠕变断裂参量的求解  60-65
    5.3.1 应力强度因子K_(Ic)  60
    5.3.2 极限载荷计算  60-61
    5.3.3 基于参考应力法的均质C形拉伸试样高温蠕变断裂参量求解及特性分析  61-65
  5.4 参考应力法与有限元方法比较  65-74
    5.4.1 C形拉伸试样有限元网格划分及蠕变过程  65-68
    5.4.2 高温蠕变断裂参量C~*与蠕变系数A的关系曲线  68-69
    5.4.3 高温蠕变断裂参量C~*与裂纹尺寸的关系  69-74
  5.5 本章小结  74-75
第六章结论与展望  75-77
  6.1 结论  75-76
  6.2 进一步工作的方向  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-80
附录A CT试样INPUT文件  80-85
附录B C形拉伸试样INPUT文件  85-89
攻读学位期间的研究成果  89

基于参考应力法的均质拉伸试样高温蠕变断裂参量特性研究

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