【摘 要】
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316LN不锈钢因其良好的抗晶间腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等性能被广泛应用于舰艇核动力装置等设备的管路系统。舰船在战斗过程受到非接触空中和水下爆炸冲击载荷作用,引起管路变形响应甚至断裂失效。而目前对316LN材料的动态力学性能比较匮乏,同时对管路系统的冲击响应研究多集中在地震载荷等弹性响应小变形阶段。基于以上背景,通过实验和壳单元模型时间历程分析模拟相结合,研究了316LN典型管路部件和系统在弹性变形、
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316LN不锈钢因其良好的抗晶间腐蚀、耐疲劳、抗蠕变等性能被广泛应用于舰艇核动力装置等设备的管路系统。舰船在战斗过程受到非接触空中和水下爆炸冲击载荷作用,引起管路变形响应甚至断裂失效。而目前对316LN材料的动态力学性能比较匮乏,同时对管路系统的冲击响应研究多集中在地震载荷等弹性响应小变形阶段。基于以上背景,通过实验和壳单元模型时间历程分析模拟相结合,研究了316LN典型管路部件和系统在弹性变形、塑性变形及断裂失效三个阶段的响应和变形特性。材料性能是全文数值模拟的基础,使用万能试验机、中应变率拉伸机开展了316LN不锈钢常温～350℃准静态力学性能实验和10-1～20-1中应变拉伸实验,对考虑应变硬化、应变率效应和温度软化行为的修正的Johnson-Cook本构模型进行了拟合。开展了不同应力状态的缺口拉伸实验、扭转实验和平面应变实验,建立了考虑不同应力状态影响的断裂准则。通过泰勒撞击实验对材料模型进行了验证。为获得管路在弹性变形阶段的响应特性,开展了不同工况下单跨直管的冲击响应实验。对比不同管道支撑方式发现金属橡胶阻尼器支座比固定支座有更好的缓冲吸能效果。分析了金属橡胶阻尼器安装压缩量和输入幅值等因素对系统响应的影响。在实验数据基础上,建立了直管、弯头、三通等重点管道结构模型,分析了弹性变形阶段其加速度响应和应力应变特性。为分析管路在塑性变形及断裂失效阶段响应特性,开展了模拟连接重物管路冲击实验,利用图形坐标转换获取关键位置位移曲线。基于材料本构模型和断裂准则,对单跨配重直管的塑性变形特性进行了模拟。预报了在更高幅值输入载荷下管路的断裂失效行为,发现靠近支座管路上截面和靠近质量管路下截面是冲击过程的薄弱环节,获得了其破坏形式和失效机理。数值模拟结果表明:拉伸开裂是316LN直管管路冲击失效的主要形式。对典型管路系统在冲击载荷下的弹塑性响应进行了模拟,分析了系统的位移响应,对弯管的塑性变形特性及应力集中规律进行了总结。针对系统薄弱位置提出了抗冲击建议,为工程实际提供了基础。
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