裂纹扩展机理研究及管板开裂的数值模拟

论文摘要

断裂是工程材料的主要失效形式,一些严重的断裂问题在化工设备中经常发生,为了防止或减少断裂现象的发生,必须对裂纹扩展的机理进行研究,人们按照裂纹的变形将裂纹分为三种基本形式,但是在工程实际中,大多数裂纹是由基本裂纹形式组成的复合型裂纹,因此,还必须研究裂纹转型问题。本文从微观和宏观两个方面对裂纹起裂和扩展的机理进行研究,并结合工程实践对换热器中的管板开裂进行模拟分析。首先从微观上对Ⅰ型和Ⅱ型裂纹尖端的塑性区和无位错区形状和大小进行了模拟并分析了塑性区和无位错区对裂纹扩展的影响。结果表明,与宏观断裂力学算出的塑性区形状相比,本文给出的Ⅰ型塑性区向裂纹前方倾斜,无位错区的形状与塑性区相似,但是随着位错的发射,塑性区越来越大,无位错区越来越小；并以应变能密度因子理论为判据,得出当存在明显的无位错区时,塑性区使裂纹扩展的潜力下降,但扩展方向不变；而当塑性区充分发展、无位错区的作用减小或消失后,裂纹扩展的方向可能发生变化。Ⅱ型裂纹塑性区形状与应用线弹性裂纹前端应力场按von Mises屈服准则求得的Ⅱ型裂纹塑性区形状有所不同,本研究得出的Ⅱ型裂纹塑性区由三部分组成,且最大部分位于裂纹前方,裂尖周围无位错区形状与塑性区形状相似；从Ⅱ型裂纹裂尖发射的位错能够有效地屏蔽施加在裂纹上的外载荷,但发射出的位错偶对裂纹没有明显的屏蔽作用。随着Ⅱ型裂纹裂尖位错的发射或塑性区的发展,裂纹扩展变得越来越困难,而裂纹潜在的扩展方向不会改变。其次从宏观上对带侧斜裂纹的紧凑拉伸试件进行了疲劳裂纹扩展的实验研究和裂纹尖端应力强度因子的数值计算,研究了复合型裂纹的转型扩展问题。结果发现,随着裂纹扩展,侧斜裂纹表面逐渐转向与外载荷垂直的方向,意味着裂纹从Ⅰ+Ⅲ复合型逐渐向Ⅰ型裂纹转化,且侧斜角越大,裂纹转型越快；对于不同侧斜角试件,Ⅲ型应力强度因子是不同的,但是Ⅰ型应力强度因子变化不大。裂纹转型主要由Ⅲ型成分控制,其转型速率可以表示成Ⅲ型应力强度因子相对幅值的函数；而疲劳裂纹扩展速率主要由Ⅰ型成分控制。然后,对疲劳试件进行断面分析,研究复合型裂纹转型扩展过程中断口形貌的变化以及和裂纹组分之间的关系。结果发现,三种试件疲劳断口的疲劳源呈多源性,裂纹均萌生于紧凑拉伸试件线切割缺口处的微裂纹。与裂纹面不侧斜的标准试件相比,带侧斜角裂纹试件断面在疲劳源区形成了更为粗大的撕裂棱,不同撕裂棱之间的台阶形成了侧斜角试件的线切割斜面；转型过程中试件的断裂面较为粗糙,断口上存在较为粗大的撕裂棱和二次裂纹,而且在二次裂纹周围出现了分支裂纹,说明Ⅲ型成分的存在促进了二次裂纹和撕裂棱的形成。转型后试件的断裂面相对平坦,试件表面的撕裂棱和二次裂纹尺寸变细。最后对一管壳式换热器管板开裂原因进行了研究。建立了液压胀接接头的三维有限元模型,模拟了液压胀接过程并得到了管板中的胀接残余应力；建立了含裂纹管板有限元模型,研究了在液压胀接残余应力或横向压力作用下裂纹沿厚度或管桥方向发生穿透性扩展的可能性。结果发现,在胀接残余应力作用下,不管沿管板厚度还是管桥方向裂纹始终保持张开状态,而横向载荷作用下,在弯曲压应力作用区域内,沿管板厚度和管桥方向的裂纹处于闭合状态,因此,胀接残余应力可能是形成贯穿管板厚度裂纹的原因。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 前人研究成果综述
• 1.2.1 宏微观断裂的理论研究概述
• 1.2.1.1 宏观断裂的理论研究
• 1.2.1.2 微观断裂的理论研究
• 1.2.1.2.1 金属的塑性变形和位错理论的提出
• 1.2.1.2.2 裂纹尖端的结构
• 1.2.1.2.3 裂纹尖端的位错
• 1.2.1.3 宏微观研究方法进展
• 1.2.2 复合型裂纹疲劳扩展研究
• 1.2.2.1 复合型裂纹断裂准则的研究
• 1.2.2.2 复合型裂纹扩展路径的研究
• 1.2.2.3 复合型裂纹扩展速率的研究
• 1.2.3 换热器管板及其开裂失效的研究
• 1.2.3.1 管子与管板的连接方法
• 1.2.3.2 管子在管板上的排列形式
• 1.2.3.3 管子与管板连接的主要失效形式及预防措施
• 1.2.3.4 有关管板开裂失效的研究
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 1.4 本课题的创新点
• 第二章 裂纹尖端塑性区和无位错区及其对裂纹扩展的影响
• 2.1 裂尖塑性区的理论模型
• 2.1.1 按von Mises准则计算塑性区
• 2.1.2 按Tresca准则计算塑性区
• 2.2 应变能密度因子理论简介
• 2.3 位错从裂纹尖端发射的模拟
• 2.3.1 裂纹与位错的相互作用
• 2.3.2 位错从裂纹尖端发射的模拟过程
• 2.4 位错从裂纹尖端发射的模拟结果
• 2.4.1 位错从Ⅰ型裂纹尖端的发射及其对裂纹扩展的影响
• 2.4.1.1 Ⅰ型裂纹尖端塑性区及无位错区形状
• 2.4.1.2 位错发射数量与无位错区大小
• 2.4.1.3 位错发射对Ⅰ型裂纹扩展的影响
• 2.4.2 位错从Ⅱ型裂纹尖端的发射及其对裂纹扩展的影响
• 2.4.2.1 Ⅱ型裂纹尖端塑性区及无位错区形状
• 2.4.2.2 位错发射与Ⅱ型裂纹尖端有效应力强度因子
• 2.4.2.3 位错发射对Ⅱ型裂纹扩展的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 带侧斜裂纹紧凑拉伸试件的实验研究及数值分析
• 3.1 Ⅰ+Ⅲ复合型裂纹疲劳扩展实验
• 3.1.1 试件与实验过程
• 3.1.1.1 试件与材料
• 3.1.1.2 实验设备
• 3.1.1.3 实验步骤
• 3.1.2 数据处理
• 3.1.2.1 裂尖纵坐标位置的获取
• 3.1.2.2 裂纹扩展速率的计算
• 3.1.2.3 裂纹面与水平面间夹角θ的计算
• 3.1.3 实验结果与分析
• 3.2 裂纹转型扩展的数值模拟
• 3.2.1 有限元和有限元通用分析软件简介
• 3.2.2 有限元计算应力强度因子的基本原理
• 3.2.3 有限元计算模型
• 3.2.3.1 单元的选择
• 3.2.3.2 单元简介
• 3.2.3.3 带侧斜裂纹紧凑拉伸试件有限元模型的建立
• 3.2.3.4 载荷和约束条件
• 3.2.4 有限元计算结果
• 3.2.4.1 裂尖周围的位移分布
• 3.2.4.2 裂尖周围的应力分布
• 3.2.4.3 裂尖应力强度因子
• 3.3 实验与计算结果分析
• 3.3.1 关于裂纹转型
• 3.3.2 关于转型快慢
• 3.3.3 关于扩展速率
• 3.4 本章小结
• 第四章 45#钢中Ⅰ+Ⅲ复合型疲劳裂纹扩展断口形貌分析
• 4.1 样品及分析仪器
• 4.1.1 样品
• 4.1.2 分析仪器
• 4.1.2.1 扫描电子显微镜简介
• 4.1.2.2 Oxford Cambridge 7060扫描电子显微镜的主要技术参数
• 4.1.3 样品制备过程
• 4.2 断口分析结果与讨论
• 4.2.1 宏观断口分析
• 4.2.2 微观断口分析
• 4.2.2.1 疲劳源区断口形貌
• 4.2.2.2 疲劳扩展区断口形貌
• 4.2.2.3 断裂区断口形貌
• 4.2.2.3.1 断裂区试件中间面的断口形貌
• 4.2.2.3.2 断裂区试件表面的断口形貌
• 4.3 本章小结
• 第五章 管板开裂的数值模拟
• 5.1 管板液压胀接过程的模拟及胀接残余应力分析
• 5.1.1 胀接接头结构
• 5.1.2 胀接接头有限元模型的建立
• 5.1.2.1 单元类型的选择
• 5.1.2.2 管子与管板的材料特性
• 5.1.2.3 管子与管板间接触面的定义
• 5.1.2.4 载荷与边界条件
• 5.1.2.4.1 边界条件
• 5.1.2.4.2 载荷及其加载方式
• 5.1.3 管子与管板间接触压力分析
• 5.1.3.1 不同载荷步下管子与管板间接触压力
• 5.1.3.2 残余接触压力沿管板厚度的分布
• 5.1.3.3 残余接触压力在接触面上的环向分布
• 5.1.3.4 管板环向残余应力的分布
• 5.2 残余接触压力作用下管板开裂的数值模拟
• 5.2.1 带裂纹管板有限元模型的建立
• 5.2.1.1 管板几何模型的选择
• 5.2.1.2 单元类型选择
• 5.2.1.3 载荷和边界条件
• 5.2.1.3.1 边界条件
• 5.2.1.3.2 载荷
• 5.2.1.4 裂纹的引入
• 5.2.2 裂纹尖端应力强度因子计算
• 5.2.2.1 裂纹前缘线上计算点的选择
• 5.2.2.2 应力强度因子计算结果
• 5.3 带裂纹管板在横向载荷作用下的数值模拟
• 5.3.1 管板有限元模型的建立
• 5.3.1.1 管板几何模型
• 5.3.1.2 单元类型选择
• 5.3.1.3 载荷和边界条件
• 5.3.1.4 裂纹面的几何形状
• 5.3.2 裂纹尖端应力强度因子分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与后续研究的建议
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究建议
• 参考文献
• 附录: 带侧斜裂纹紧凑拉伸试件疲劳实验数据
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 北京化工大学 博士研究生学位论文答辩委员会决议书