基于微观塑性损伤机理对延性裂纹扩展行为的分析

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1、中文摘要在重要钢结构的设计和安全分析中，比如海底和核设施、近海和远海的石油天然气管道等等，对遭受大应变和塑性变形发生破坏的钢部件的失效评估依然是个重大问题。钢结构局部的屈服和塑性流主要是恶劣的环境和意外的撞击造成的，这就导致材料的断裂韧性的明显降低。因此，先进的、合理的结构分析过程必须考虑在没有发生延性断裂前结构承受塑性变形的能力。从上个世纪五六十年代以来，国内外从力学，冶金学等许多方面对于韧性材料的塑性变形以及韧性断裂进行了广泛和深入研究，相继提出许多模型。目前应用最广泛的，理论较为完善的韧性断裂模型是Gurson在1975年提出，之后由Tvergaard进行修改完

2、善的多孔微观机制模型(G—T模型)。该模型定量地描述了塑性变形量和空穴形核、长大及扩展的关系。Xia和Shih在G—T模型的基础上，基于空穴扩张的材料微观塑性损伤提出了特殊单元模型。进入九十年代以后，随着计算机技术的应用及发展，G-T模型在韧性断裂的数值研究中又得到了新的发展和完善。本研究基于材料微观塑性损伤机理对同种材料的不同实验进行相互预测，最终达到有限元数值模拟可以一定程度的代替实验的目的。实际材料在承载过程中会含有微观塑性损伤，正确描述微观塑性损伤对材料性能及韧性断裂过程的影响，对于评定材料的安全性以及使用的可靠性，将具有重大的理论和现实意义。本研究采用X65

3、管线钢为实验材料，首先对其进行了单轴拉伸实验和冲击实验，得到载荷／位移数据，为校正该种材料的单元模型参数提供依据；然后在考虑材料内部塑性损伤的基础之上，通过有限元数值方法(采用的是特殊单元模型法)，编制求解韧性断裂特征参量的程序，模拟材料的韧性断裂过程，把标准拉伸试样的载荷位移曲线测试结果与实验数据相比较，得出反映材料微观损伤的控制参量；最后再根据该参量对同种材料的含圆周缺口拉伸和冲击实验进行定量预测，即实现从一种实验结果预测同种材料的其他实验结果，并分析了标准拉伸、含圆周缺口拉伸和冲击试件应力场的分布情况，比较了不同缺口半径不同应力三轴度对试样延性断裂的重要影响。结

4、果表明在韧性裂纹扩展时考虑塑性损伤的特殊单元模型能够很好地描述材料的韧性断裂过程以及实现同种材料不同实验间的相互预测。关键词：X65钢塑性损伤韧性断裂拉伸冲击数值模拟应力场ABSTRACTFailureassessmentsofdamagedsteelcomponentssubjectedtolargescalestrainingandplasticdeformationremainakeyissueindesignandsafetyanalysisofcriticalstructures，includingmarineandnuclearfacilities，oil

5、andgaspipelinesinonshoreandoffshoresystems．Localizedyieldandsubsequentplasticflowcausedprimarilybyextremeoraccidentalloadspotentiallycauseseverematerialdamagewithsignificantreductioninductilityandfracturetoughness．Consequently,advancedandrationalstructuralanalysisproceduresmustconsidert

6、heabilityofnotchedcomponentstodeformplasticallyafterdevelopingductilecracks．Fromthemiddleageof20thcentury，theductiledistortionandfracturehavebeenlucubratedbroadlyinmanyfieldssuchasmechanicsandmetallurgyetc．，andmanysimulatedmodelsalsohavebeenputforward．Nowtheductilefracturemodelwhichisap

7、pliedbroadlyandwhosetheoryisconsummatedcorrespondinglyistheGurson—TvergaardModel(G-TModel)thatWasbroughtforwardbyGursonin1975andlateramendedbyTvergaard．Thismodeldescribestherelationbetweentheductiledistortionandtheextendingofthevoids．Inthelastdecadeofthe20th，withtheapplicationa