冲击载荷作用下压力容器用金属材料动态断裂行为的研究

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1、中国科学技术大学博士学位论又冲击载荷作用下压力容器用金属材料动态断裂行为的研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：潘建华固体力学陈学东研究员王秀喜教授二。一三年一月八日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeDynamicFractureBehaviorofPressureVesseIMetaIMaterialsunderImpactLoadsAuthor’SName：JianhuaPanspeciality：SolidMechanicsSupervisor：Prof．Xued

2、ongChenProf．XiuxiWangFinishedtime：January8也，2013中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：玉阻签字日期：塑堕兰：堂中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查

3、阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。函公开口保密(年)作者签名：超坠一签字曰期：汐t2．1．彤导师签名：签字日期：摘要压力容器和输油输气管道的爆裂、止裂，核电站防护的冲击安全，建筑物和结构的抗震设计等领域都涉及结构材料动态断裂的性能评估和灾害对策研究。为保证这些可能承受动载荷金属构件的安全可靠，需要在设计中预防含裂纹构件在冲击载荷下的起裂和扩展，因此研究金属材料动态断裂行为的重要意义是不言而喻的。本文从

4、理论、试验和数值模拟方面研究了冲击载荷作用下金属材料的动态断裂行为，主要研究内容包括以下几个方面：研究了中心裂纹板试样、双悬臂梁试样和三点弯曲试样在理想冲击载荷作用下，各种因素对于它们动态应力强度因子K，(t)的影响。分析中心裂纹板的计算结果表明动态应力强度因子的最大值一般发生在应力波与裂尖相互作用的时刻。双悬臂梁DCB试样模型在拉伸阶跃载荷的作用下，应力强度因子的动载系数可以近似用一个周期函数表示，它的变化周期与载荷加载点的位移变化周期相同。使用弹簧质量模型对三点弯曲试样的动态应力强度因子进行了求解，并使用此模型计算了试样在三种理想冲击载荷下的动态应力强度因子变化曲线；同时进

5、行了完全的动态有限元分析，将计算结果与弹簧质量模型的结果进行了比较。在一196。C下对$30408奥氏体不锈钢的母材和焊缝进行了夏比摆锤冲击试验研究。使用改进型柔度变化率法得到了低温下不锈钢母材夏比冲击试样的起裂点，通过对比发现改进型法得到的结果比传统的柔度变化率法得到的结果更加准确。根据试验得到的载荷位移曲线，结合Schindler方法和关键曲线法各自所得结果的优点，研究得到了不锈钢母材的动态，积分裂纹扩展阻力曲线(动态瑚曲线)。依据不锈钢焊缝在低温动载下的载荷位移曲线及其断裂特征，采用线弹性断裂力学模型计算了其动态断裂韧性，并对结果的有效性进行了讨论。对典型压力容器用钢Q3

6、45R预制裂纹夏比冲击试样进行示波冲击试验，得到其载荷位移曲线。分别采用，积分增量方程计算方法和Schindler方法计算得到了Q345R材料在冲击加载速率下的动态裂纹扩展阻力曲线，并将两者结果进行了对比验证。将所得到的动态J-R曲线与准静态加载条件下得到的J-R曲线结果进行分析，发现动态加载条件下的J-R曲线要高于准静态加载下相应的结果。根据得到的试验数据建立了Q345R准静态和动态裂纹扩展阻力曲线之间关中国科学技术大学博士毕业论文系的计算方程。在一40。C下对Q345R材料进行了示波冲击试验，发现有预制疲劳裂纹的夏比冲击试样断口完全表现为解理断裂；而标准夏比冲击试样则在缺口

7、处有少量的塑性变形，随后也发生解理断裂，得到的冲击功值更低。使用标准ASMEE399中的准静态计算公式计算了两种试样的动态断裂韧性，并对结果进行了讨论。将断裂时间与试样振动周期比较验证了试验结果的有效性。应用大型通用有限元软件ABAQUS对Q345R材料在一40℃下的示波冲击试验进行了数值模拟，并采用基于节点位移外推法计算了在试样起裂时刻的动态应力强度因子，发现剔除裂尖附近的位移数据反而能增加计算结果的精度。使用ABAQUS有限元软件并结合3D断裂力学软件ZENCRACK建立了三维有限元模型