实验室试样与实际结构中材料拘束的作用范围研究

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在结构完整性评价中,材料或结构断裂性能的选择对评价的准确性有重要影响。材料拘束是影响结构断裂性能的重要因素之一,在之前的研究中,更加侧重裂纹两侧的性能匹配(如高配或低配)对材料断裂性能的影响,但在性能失配试样或结构中还存在着一个有趣的科学问题——材料拘束的作用范围需要澄清。它是指材料拘束本身是否存在一个作用范围,当材料位于该作用范围之外时,无论材料的机械性能如何,断裂行为均不受影响。针对该问题,本文采用有限元数值计算的方法分析了试样中材料拘束的作用范围、影响其作用范围的因素,并针对实际工程结构中材料拘束的作用范围进行了研究,研究所得主要结论如下:(1)与含中心裂纹SENB试样一样,所有含界面裂纹的SENB试样都存在材料拘束的作用范围。含中心裂纹和含界面裂纹试样中材料拘束的作用范围具有相同的特性。与含中心裂纹试样不同的是,对于含界面裂纹试样,当试样从均质材料变为双金属焊接接头时,尽管焊缝金属的强度高于母材,但模型的J阻力曲线会先下降,意味着含界面裂纹的双金属焊接接头比较危险。对于含界面裂纹的试样,J阻力曲线受非毗邻材料的影响明显,裂纹扩展路径主要受裂纹附近材料的影响。结合对中心裂纹的研究,明确了SENB试样中材料拘束的作用范围。(2)CCT、CT和SENT试样中同样存在材料拘束的作用范围。作用范围的大小受几何拘束的影响。高几何拘束减小了材料拘束的作用范围。当一种材料处于材料拘束的作用范围之外时,试样的J阻力曲线和裂纹扩展路径不再受该材料机械性能的影响。此外,几何拘束与材料拘束之间存在相互作用。高几何拘束强化了材料拘束的作用,而低几何拘束下的J阻力曲线和裂纹扩展路径对材料拘束不敏感。(3)材料拘束的作用范围同样受强度失配的影响。随着强度失配的增加,材料拘束的作用范围增大。强度失配试样中存在“短板效应”,结构的承载能力由最薄弱区域材料的性能决定。“短板效应”与试样的加载方式和强度失配的大小有关。“短板效应”在弯曲载荷下比在剪切载荷下更加明显,在强度失配高的试样中比在强度失配低的试样中更加明显。(4)在核电安全端实际结构和简化结构中均存在着材料拘束的作用范围。J积分-弯矩曲线、PEEQ等值线所围绕区域的面积和失效评定曲线均不受材料拘束作用范围之外材料的影响。简化结构几何拘束较低、PEEQ等值线所围绕区域的面积较高、材料拘束作用范围较大、失效评定曲线略高,与实际结构相比,可能会产生非保守的评价结果,应予以重视。
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