基于延性材料RVE破斷行為的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)問(wèn)題研究論文
核電、化工、油氣工程用壓力容器、管道等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件在服役過(guò)程中因制造工藝或運(yùn)行損傷將產(chǎn)生一些缺陷，即使采用無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)并修復(fù)也難以避免缺陷存在。若按照無(wú)缺陷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估，一些服役設(shè)備與構(gòu)件被直接報(bào)廢而造成巨大浪費(fèi)。因此，為確保含缺陷結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，開(kāi)展缺陷對(duì)設(shè)備安全性與可靠性影響的完整性評(píng)價(jià)有重要工程意義并產(chǎn)生很高的經(jīng)濟(jì)效益。隨著疲勞與斷裂力學(xué)的發(fā)展，國(guó)際上逐步形成了兼顧安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)規(guī)范，如歐洲含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定規(guī)范 SINTAP、英國(guó)中央電力局(CEGB)頒布的用于高溫下含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定的 R5 規(guī)范和室溫下含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定 R6 規(guī)范、英國(guó)的含缺陷金屬結(jié)構(gòu)可接受度評(píng)價(jià)規(guī)范 BS7910-2005、美國(guó)石油工程學(xué)會(huì)頒布的合于使用規(guī)范 API579以及我國(guó)對(duì)含缺陷壓力容器的安全評(píng)定的 GB/T19624-2004 規(guī)范、在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定的 SAPV-95 規(guī)范等。在結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)中，多采用介于脆斷和延性失穩(wěn)之間的雙判據(jù)準(zhǔn)則的失效評(píng)定圖 FAD(Failure assessment diagram)分析方法來(lái)評(píng)估含缺陷結(jié)構(gòu)在承受準(zhǔn)靜態(tài)載荷時(shí)的安全性，采用基于 Paris 律的疲勞裂紋擴(kuò)展分析方法進(jìn)行循環(huán)載荷下含缺陷結(jié)構(gòu)的剩余疲勞壽命評(píng)估。
在 FAD 評(píng)定方法中，材料 RVE(Representative Volume Element，代表性體積單元)的單軸本構(gòu)關(guān)系作為材料最基本的力學(xué)性能扮演了重要的角色，各評(píng)價(jià)規(guī)范根據(jù)能夠獲得的材料單軸本構(gòu)關(guān)系的完整和真實(shí)程度，推薦了不同等級(jí)的失效評(píng)價(jià)方法。精確的材料單軸本構(gòu)關(guān)系，可有效降低結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)結(jié)果的過(guò)保守性，從而使結(jié)構(gòu)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益得以更好地發(fā)揮。然而，由于試樣拉伸過(guò)程中的頸縮效應(yīng)，尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)延性材料 RVE 的單軸本構(gòu)關(guān)系測(cè)定。目前，基于等直圓棒單軸拉伸試樣頸縮前的`變形和應(yīng)力測(cè)量方法已非常成熟，而頸縮后材料 RVE 的變形和應(yīng)力測(cè)量雖在歷史上不同時(shí)期進(jìn)行了大量的研究嘗試，但至今未得到有效突破，使得相關(guān)延性材料大變形直至破壞的材料與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問(wèn)題研究近乎停滯。Bridgeman 早在 1950 年代曾假設(shè)圓棒試樣圓弧狀頸縮輪廓和頸縮截面上應(yīng)變均勻分布來(lái)修正頸縮后的應(yīng)力，后來(lái) GiuseppeMirone、Truszkowski、Chen、Needleman 以及 Miran 等在 Bridgeman 應(yīng)力修正基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元差分法對(duì)圓棒試樣的頸縮過(guò)程進(jìn)行了分析。事實(shí)上，基于 Bridgeman 假設(shè)和后繼的應(yīng)力修正假設(shè)所得結(jié)果均與大量的實(shí)驗(yàn)觀察情況不符，相關(guān)方法一直未得到現(xiàn)行規(guī)范采用。另一類方法是將等直圓棒拉伸實(shí)驗(yàn)同頸縮變形的有限元模擬分析相結(jié)合，通過(guò)不斷調(diào)整本構(gòu)關(guān)系模型參數(shù)反演求得材料 RVE 的單軸本構(gòu)關(guān)系。在這些方法中，多采用在單軸等直試樣上構(gòu)造初始缺陷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)頸縮模擬。然而，蔡力勛等的工作表明，冪律本構(gòu)模型參數(shù)搜索方法不適用于非冪律硬化特征材料以及頸縮后硬化特征顯著變化的材料，其近期工作還揭示出等直圓棒試樣的初始缺陷尺寸與位置對(duì)試樣頸縮變形的模擬存在顯著影響。Mansoo Joun 用剛塑性有限元法實(shí)現(xiàn)了圓棒試樣的無(wú)缺陷頸縮模擬，并以載荷位移曲線為判據(jù)來(lái)反求材料全程單軸本構(gòu)關(guān)系，但剛塑性有限元法本身的計(jì)算精度有待檢驗(yàn)。至今國(guó)際上已有的工作均采用一種材料、一個(gè)試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，其所得本構(gòu)關(guān)系的唯一性和方法的普適性值得商榷。蔡力勛等借助漏斗圓棒試樣實(shí)現(xiàn)了延性材料 RVE 直至破壞的全程變形模擬，該方法尚需采用一個(gè)等直圓棒試樣來(lái)確定頸縮前的本構(gòu)關(guān)系，用一個(gè)漏斗圓棒試樣確定材料頸縮后的本構(gòu)關(guān)系，不宜用于宏觀尺度下有一定分散性但局部相對(duì)均勻的材料 RVE 本構(gòu)關(guān)系確定。此外，也有研究采用基于微孔洞損傷的GTN 模型來(lái)預(yù)測(cè)材料的全程單軸本構(gòu)關(guān)系，由于 GTN 模型參數(shù)繁多且參數(shù)確定困難，不利于確保結(jié)果唯一性。近來(lái)，蔡力勛等在基于單一漏斗試樣獲取延性材料 RVE 直至破壞的單軸全程本構(gòu)關(guān)系的方法研究已取得了重要進(jìn)展。同時(shí)，對(duì)于材料 RVE 在不同應(yīng)力狀態(tài)下的臨界破壞分析，Johnson-Cook 準(zhǔn)則由于引入了表征應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力三軸度、溫度和應(yīng)變率對(duì)材料失效的影響而得到了較廣泛的應(yīng)用。YingbinBao 等研究發(fā)現(xiàn)不同應(yīng)力狀態(tài)下材料 RVE 的破斷應(yīng)變與應(yīng)力三軸度之間的關(guān)系并不符合 Johnson-Cook 模型。陳繼恩在 YingbinBao 工作的基礎(chǔ)上分別通過(guò)單調(diào)拉伸、單調(diào)壓縮和拉剪復(fù)合試驗(yàn)對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)下破斷應(yīng)變與應(yīng)力三軸度之間的關(guān)系作了一定的改進(jìn)。但是上述有關(guān)破斷應(yīng)變與應(yīng)力三軸度關(guān)系的研究中的不足之處在于，無(wú)論何種加載方式，應(yīng)力三軸度均隨著試樣變形的增加而呈現(xiàn)大幅波動(dòng)，而上述研究均采用一個(gè)無(wú)因次能量的積分方式對(duì)應(yīng)力三軸度作平均化處理，由此得到的關(guān)系并不能體現(xiàn)材料 RVE 的本質(zhì)特征。本研究項(xiàng)目將研究材料 RVE 在拉壓、剪切以及復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的全程本構(gòu)關(guān)系，通過(guò)特殊試樣構(gòu)形的設(shè)計(jì)使應(yīng)力三軸度不隨試樣變形程度變化，從而獲得材料 RVE 在不同應(yīng)力狀態(tài)下的破斷應(yīng)變。
在結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)中，延性斷裂參量 J 積分是評(píng)定裂紋準(zhǔn)靜態(tài)啟裂與擴(kuò)展行為的重要基礎(chǔ)。對(duì)于 J 積分的測(cè)量，傳統(tǒng)的做法是采用足夠大尺寸的含裂紋標(biāo)準(zhǔn)試樣實(shí)驗(yàn)測(cè)得最低的平面應(yīng)變斷裂韌度 JIC。筆者在國(guó)家自然基金項(xiàng)目(11072205)的資助下，對(duì)獲取材料平面應(yīng)變斷裂韌度的理論方法和測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，柔度法和載荷分離法的創(chuàng)新成果已被新版國(guó)家斷裂測(cè)試規(guī)范(GB/T21143-2014-金屬材料準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度統(tǒng)一試驗(yàn)方法)所采納。近幾十年，盡管筆者以及國(guó)內(nèi)外同行在平面應(yīng)變材料斷裂韌度獲取方法上取得了公認(rèn)的系統(tǒng)進(jìn)展，然而，實(shí)際含缺陷結(jié)構(gòu)由于較低的拘束度而具有較高的斷裂韌度，僅采用平面應(yīng)變條件下的斷裂韌度對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行完整性分析會(huì)較大程度低估結(jié)構(gòu)的抗斷裂性能，致使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全裕度過(guò)高。雖然以 J-Q、J-A2等為代表的雙參數(shù)斷裂理論可以將含缺陷結(jié)構(gòu)的斷裂韌度和裂尖拘束度相聯(lián)系來(lái)指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的斷裂性能評(píng)價(jià)，但在裂紋前緣不同位置裂紋啟裂狀態(tài)會(huì)受不同拘束度影響，因而斷裂韌度 JC或 JIC 反映的是裂紋前緣平均啟裂效應(yīng)，會(huì)影響材料斷裂評(píng)價(jià)的精確度。因此，基于裂紋前緣材料 RVE 的變形與破壞特征，開(kāi)展結(jié)構(gòu)裂紋破壞機(jī)理研究，實(shí)現(xiàn)具有不同裂尖拘束度的延性斷裂阻力曲線的理論或數(shù)值預(yù)測(cè)具有重要意義。對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)下材料斷裂韌度 JC 特別是 J 阻力曲線實(shí)現(xiàn)理論預(yù)測(cè)關(guān)鍵在于建立裂紋啟裂和擴(kuò)展準(zhǔn)則。對(duì)于延性材料啟裂，Erdogan、Sih、Theocaris、Papadopoulos 等曾提出過(guò)若干啟裂準(zhǔn)則，但由于歷史上難以獲得材料 RVE 直至破壞的全程單軸本構(gòu)關(guān)系，致使基于各類啟裂準(zhǔn)則的裂紋啟裂預(yù)測(cè)能力不高。在 I 型裂紋延性擴(kuò)展準(zhǔn)則研究方面，Sih 和 Zhu 根據(jù)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中的應(yīng)變能密度閾值提出了 I 型裂紋擴(kuò)展準(zhǔn)則，但預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離較大。對(duì)于橢圓表面裂紋的延性擴(kuò)展行為預(yù)測(cè)方面，Qian 采用實(shí)驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合的方式對(duì)受拉橢圓表面裂紋的準(zhǔn)靜態(tài)啟裂和擴(kuò)展行為預(yù)測(cè)進(jìn)行了嘗試，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察存在較大差異。此外，近年有較多研究采用基于材料微孔洞損傷的 GTN 模型來(lái)模擬裂紋的準(zhǔn)靜態(tài)延性擴(kuò)展行為，但是，GTN 模型參數(shù)眾多，其參數(shù)的確定涉及微觀實(shí)驗(yàn)、人為調(diào)試等復(fù)雜因素，GTN 模型的預(yù)測(cè)能力究竟如何尚需進(jìn)一步考察。Hutchinson 等通過(guò)引入剪切破壞參量 kω對(duì) GTN 模型進(jìn)行了改進(jìn)，采用單軸拉伸、I 型裂紋準(zhǔn)靜態(tài)斷裂和剪切三種宏觀試驗(yàn)來(lái)確定模型參數(shù)，減少了原 GTN 模型通過(guò)微觀觀察確定參數(shù)的復(fù)雜性;然而，該研究中仍存在單軸本構(gòu)關(guān)系獲取方法不當(dāng)、誤差累積明顯等亟待完善的問(wèn)題。如上所述，對(duì)于不同拘束度的 I 型裂紋試樣以及工程中常見(jiàn)的橢圓表面裂紋、深埋橢圓裂紋、角裂紋等 I 型結(jié)構(gòu)裂紋的擴(kuò)展問(wèn)題，在基于材料 RVE 全程本構(gòu)關(guān)系的理論預(yù)測(cè)方面的研究至今在國(guó)內(nèi)外少見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。
綜上所述，作為具有局部大變形破壞的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，有關(guān)延性材料 RVE 的單軸本構(gòu)關(guān)系、材料斷裂韌性和結(jié)構(gòu)裂紋的準(zhǔn)靜態(tài)和疲勞擴(kuò)展行為的研究尚存在基礎(chǔ)性不足。本項(xiàng)目擬開(kāi)展“基于延性材料 RVE 破斷行為的結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)問(wèn)題研究”，探索基于單試樣獲取延性材料 RVE 直至破壞的全程單軸本構(gòu)關(guān)系的方法，研究材料在復(fù)雜加載條件下的臨界破壞機(jī)理，以此為基礎(chǔ)發(fā)展含裂紋結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)啟裂與擴(kuò)展行為理論預(yù)測(cè)方法;開(kāi)展延性材料RVE 含大變形破壞的低循環(huán)疲勞行為研究，通過(guò)在結(jié)構(gòu)裂紋尖端塑性區(qū)中考慮低循環(huán)疲勞損傷來(lái)建立描述含裂紋結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋擴(kuò)展行為的理論方法。研究成果將為含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評(píng)價(jià)方法的進(jìn)一步完善提供重要的理論方法和技術(shù)支撐，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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