摘 要

许多大型高温高压设备如压力容器等在制造过程中常常采用焊接结构，蠕变断裂是高温焊接结构的主要失效形式之一。因此，研究高温焊接结构的蠕变规律，对高温设备完整性及寿命评估具有重要的指导意义。这些焊接结构在力学研究中可以进行抽象、简化成为合适的力学模型，进而加以研究。

本文以典型的含裂纹缺陷的焊件中心裂纹板为研究对象，建立有限元模型，考虑到材料的不匹配以及双轴加载等因素的影响，对平面应变中心开孔裂纹板做相关的极限载荷及断裂力学分析研究。主要工作及研究成果如下：

（1）基于理想弹塑性本构关系，研究了材料强度失配、双轴载荷比、裂纹深度、板的细长比及焊缝的相对宽度等因素对中心裂纹板极限载荷的影响规律；得到了长短板在失配及不同载荷比下的塑性变形模式；最后选用洛伦兹函数与指数函数形式对极限载荷随失配因子、双轴载荷比的变化规律进行函数拟合，拟合数值与有限元结果吻合良好。

（2）基于Norton蠕变本构关系，研究了蠕变材料的不匹配及双向加载等因素对稳态蠕变断裂参数C^*的影响规律；并以非均匀结构下的双轴极限载荷为基础，提出了三种改进的计算C^*的参考应力方法，并通过有限元对这三种方法的优劣及精度进行了验证，研究发现浅裂纹下，利用参考应力法计算的C^*与有限元结果基本一致。

（3）结合C(t)-Q(t)两项渐近解与C(t)-A₂(t)三项渐近解理论，用拘束参数Q(t)、A₂(t)表征中心裂纹板蠕变裂纹尖端场的拘束效应，研究了失配情况下双轴载荷因子对拘束参数的影响及变化规律。

关键词：失配；双轴加载；极限载荷；参考应力法；拘束效应

Abstract

Lots of high-temperature and high-pressure structures, e.g. pressure vessels and pipes, which are commonly manufactured with certain welded components in which creep failure is the main failure form. Therefore, the study on the creep law of welded structure, which can be abstracted and simplified as the suitable mechanical model in mechanics research, has important guiding significance for high temperature structural integrity and life assessment.

In this paper, a typical centre-cracked plate containing heat affected zone is adopted to perform the numerical analysis. Considering the effects of mismatch and biaxial loading, the theoretical and numerical analysis research on the limit load and fracture mechanics analysis is conducted for centre-cracked plate under plane strain. And the main work and conclusions are summarized as follows:

(1) Based on the elasto-perfectly plastic constitutive relation, the research on the effects of strength mismatch factor, load biaxiality, crack length, plate length and ligament-to-weld width ratios on the limit load of a centre-cracked plate has been conducted. The plastic deformation patterns of the mismatched plate under biaxial loading are also given. Finally, lorentzian distribution funtion and exponential funtion are presented to make a numerical curve fitting for the variation tendencies considering influences of load biaxiality and strength mismatch. The result shows that the fitting results are in good agreement with the finite element method (FEM) analysis results.

(2) Considering the Norton’s constitutive equation, the investigation on the effects of creep material mismatch factor and load biaxiality on C^*-integral, which is a fracture parameter that can be used for the assessment of steady state creep, has been conducted. Three extended reference stress methods have been proposed to evaluate the C^*-integral of centre-cracked plate under biaxial loading on the basis of the biaxial limit load in the welded plate. The merits and the accuracy of the three extended reference stress methods have been also verified via FEM. The result shows that C^*-integrals calculated with the extended reference methods coincide well with FEM results for shallow crack plate.

(3) Based on C(t)-Q(t) two-term solution and C(t)-A₂(t) three-term solution, two parameters Q(t) and A₂(t) have been used to characterise the mismatch constraint effect of creep crack with centre-cracked plate respectively. The research on the effects of load biaxiality on the two constraint parameters has been also conducted.

Keywords: Mismatch; load biaxiality; limit load; reference stress method; constraint effect

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 相关课题及研究现状 2

1.2.1 含裂纹结构极限载荷的研究 2

1.2.2 计算蠕变断裂参数的参考应力法研究 2

1.2.3 蠕变拘束效应的研究 3

1.2.4 目前研究中存在的问题 4

1.3 本文研究内容 4

第2章 对失配中心开孔裂纹板双轴极限载荷的研究 5

2.1 有限元极限载荷的确定方法 5

2.2 有限元模型 5

2.2.1 本文所使用有限元模型的合理性验证 6

2.3 影响失配中心开孔裂纹板极限载荷的主要因素 8

2.3.1 双轴载荷比对极限载荷的影响 8

2.3.2 失配因子对极限载荷的影响 8

2.3.3 焊缝宽度变化对极限载荷的影响 9

2.3.4 板的细长比对极限载荷的影响 10

2.4 典型塑性变形模式 12

2.4.1 长板（H/W=2）典型塑性变形模式 12

2.4.2 短板（H/W=0.5）典型塑性变形模式 14

2.5 函数拟合 16

2.5.1 对极限载荷与B的关系进行函数拟合 16

2.5.2 对极限载荷与M的关系进行函数拟合 18

2.6 小结 19

第3章 评估稳态蠕变断裂参数C^*的改进参考应力法 20

3.1 稳态蠕变断裂参数C^*的基本定义 20

3.2 参考应力法 21

3.2.1 单向加载下的参考应力法 21

3.2.2 双轴加载下的改进参考应力法 23

3.3 有限元模型 25

3.3.1 蠕变失配及材料参数 25

3.3.2 蠕变失配与强度失配的关系 26

3.3.3 有限元模型 26

3.4 结果与讨论 27

3.4.1 失配情况下C^*的变化规律 27

3.4.2 改进参考应力法与有限元结果的比较 28

3.5 小结 30

第4章 蠕变裂纹尖端场的拘束效应 31

4.1 相关理论及研究背景 31

4.1.1 HRR奇异场理论 31

4.1.2 C(t)-Q(t)双参数理论 31

4.1.3 C(t)-A₂(t)双参数理论 32

4.2 不同蠕变阶段C(t)积分表达式 33

4.2.1 小范围蠕变阶段 33

4.2.2 大范围蠕变阶段 33

4.2.3 过渡时间 34

4.3 有限元数值解与讨论 34

4.3.1 失配情况下Q(t)参数的变化规律 34

4.3.2 失配情况下A₂(t)参数的变化规律 35

4.4 小结 37

第5章 总结与展望 38

5.1 全文总结 38

5.2 研究展望 39

参考文献 40

致谢 43

主要符号表

主要角标符号：

绪论

研究背景及意义

焊接结构在航天航空、交通、能源、化工及建筑等工程装备与结构中得到了广泛的应用。焊接是实现材料精确、可靠、成本低和高效连接的关键技术，是产品设计与工艺创新的手段。研究焊接力学行为和发展焊接结构完整性工程分析方法是现代焊接结构设计与制造、使用与维护、安全评定及新材料与新结构应用等方面的重要基础^[1]。