乏燃料是指从反应堆卸载出的被辐照过的核燃料,目前对其后处理主要采用两种技术路线:一次通过循环及闭式燃料循环,相比前者,后者能提取回收可利用核元素,具有巨大的经济、社会和环境价值。闭式燃料循环前期需要将乏燃料剪碎成小段以便于后续化学提取,乏燃料同时包含韧性及脆性材料,剪切过程复杂的断裂机理给后处理剪切装备的研发带来了严峻的挑战。归纳现有文献发现,涉及组件剪切机理的研究极为匮乏,现有数值模型也无法准确模拟组件的裂纹扩展及损伤演化。鉴于此,本文以乏燃料模拟组件（同乏燃料组件材料性能近似但无放射性）为研究对象,按照包壳管、芯块、芯管及整组剪切的顺序,结合损伤本构力学理论建立起相应的有限元模型,并对比试验结果揭示了各构件单独剪切及整组剪切过程的断裂机理,具体研究内容及成果如下:（1）分析了包壳管单独剪切时的受力机制,在现有GTN修正模型上提出了两类韧性断裂准则:结构修正形式及应力三轴度修正形式,克服了原始模型预测结果会出现提前或延后断裂的缺陷。建立了包壳管剪切有限元模型,结合参数敏感性分析方法及有限元拟合法确定了模型相关参数的值。开展了剪切试验,对比试验及模拟结果验证了上述所提出的两种修正形式的有效性及准确性,揭示了包壳管单独剪切时的变形情况、裂纹扩展及断裂形貌。（2）总结了脆性材料单轴应力状态下的力学行为特征,在现有模型基础上发展出了一种可描述脆性材料加载全过程（弹塑性、损伤后刚度退化及强度软化、断裂）的损伤本构模型,建立了损伤参数、断裂准则、应变率效应三者之间的耦合关系,改善了原始模型临界阈值不唯一需频繁确定的缺陷,同时解决了其无法描述材料应变率效应的问题。建立了芯块剪切有限元模型,开展了剪切试验,最终试验及模拟结果表明所发展的模型能够很好地预测芯块剪切断裂过程,揭示了芯块断裂的破坏机制。（3）开展了芯管剪切试验,分析了芯管外部包壳管及内部芯块的断裂过程,明确了芯块断裂对芯管剪切的影响极小,基于此提出了一种等效剪切方案,可不再考虑芯块本构的影响,节省了近一半的工作量,在仅牺牲10%左右预测精度的条件下,提高约2～4倍计算效率。建立了芯管剪切及等效剪切的有限元模型,两种模拟方案得到的载荷位移曲线及断裂形貌与试验结果基本一致,进一步验证了前述章节所提出模型的有效性,同时阐明了芯管剪切的断裂机理。（4）在现有卧式剪切机上自主改造搭建了乏燃料模拟组件剪切平台,开展了整组剪切试验,应用前述章节的理论成果,模拟了组件剪切全过程,试验及模拟结果有良好的一致性:模拟的载荷位移曲线在整体变化趋势上与试验曲线近似,预测的最大剪切力相比试验的误差仅为1.8%。此外,根据不同层断裂的先后顺序,将整个剪切过程划分为五个阶段:I-开始剪切阶段、II-第一剪切区断裂阶段、III-第二剪切区断裂阶段、IV-第三剪切区断裂阶段及V-断裂阶段。相比压紧块和剪切刀,固定刀是剪切装置的薄弱点,剪切前期其最大应力出现在半圆开口与芯管对应的位置,后期出现在与外套管裂纹尖端对应的位置,且随刀具的位移而变化。（5）开发了乏燃料组件剪切数值模拟系统,集成了本文各个章节的关键技术,实现了多种类型乏燃料组件从几何建模到后处理求解的“一键式”操作,极大地降低了对用户的专业知识要求。