高温双轴载荷下裂纹蠕变断裂行为的数值计算及约束分析

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航空航天器、压力容器和核反应容器等结构构件通常工作在高温环境中,并受到双轴载荷的作用,蠕变是高温构件的主要变形形式。这些构件中经常会出现各种裂纹,因而会大大降低结构的强度,甚至造成灾难性的后果。因此,迅速准确地判定裂纹尖端应力场和变形状态对在高温环境下的结构完整性评估具有重要意义。  本文以二维中心裂纹、三维穿透裂纹和半椭圆表面裂纹为研究对象,运用裂纹尖端场C(t)-A2(t)-Tz(t)理论和ABAQUS有限元软件对以下三种情况下裂纹的蠕变断裂行为进行系统的分析计算:  (1)二维中心裂纹。建立三种裂纹长度、三种载荷比、六种载荷大小共五十四种模型.通过大量的平面应变有限元分析,得出载荷比、载荷大小、裂纹长度对应力重分布时间的影响;载荷比对C(t)积分和C*积分的影响;以及载荷比、载荷大小、裂纹长度及蠕变进程对约束参数A2(t)的影响。  (2)三维穿透裂纹。建立三种裂纹长度、三种载荷比、三种载荷大小共二十七种模型,通过详细的三维有限元计算,分析试样厚度对应力重分布时间的影响;试样厚度对C*积分的影响;载荷比和试样厚度对无量纲积分C(t)/C*的影响;载荷比和试样厚度对面内约束参数A2(t)和面外约束参数Tz(t)的影响。  (3)半椭圆表面裂纹。建立三种裂纹深度、三种载荷比、三种载荷大小共二十七种模型,通过详细的三维有限元分析,给出载荷比和试样深度对应力重分布时间的影响;载荷比和裂纹深度对C*积分的影响;载荷比、载荷大小、裂纹深度及蠕变进程对约束参数A2(t)的影响;以及载荷比、载荷大小、裂纹深度对面外约束参数Tz(t)的影响。  分析结果表明:载荷比对无量纲积分C(t)/C*的影响非常小,单轴载荷的t/tT-C(t)/C*经验公式也适用于双轴载荷情况。载荷大小对蠕变约束参数A2(t)和Tz(t)的影响微乎其微。面内约束A2(t)随载荷比由-1,到0再到0.5而逐步增大。同时,随着蠕变进程的推进,裂纹尖端的面内约束也越来越大。  论文的研究成果可为高温工作环境下带裂纹构件的结构完整性评估提供参考。
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