高温含裂纹非均匀结构的双轴极限载荷及改进的参考应力法研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

裂纹经常出现在高温工作环境下的航空航天构件、压力容器、核反应容器中，裂纹的出现会大大降低结构的强度，裂纹的出现会使应力集中于裂纹尖端，从而加速裂纹的扩展，最终很可能造成灾难性的后果，研究含裂纹结构的极限载荷对结构的安全评估和质量检测具有一定的指导作用。查阅许多文献资料，有许多关于含裂纹结构极限载荷的研究,例如，s.hao[19]等人构建滑移线场得到含中心裂纹焊件在单轴拉伸状态下的极限载荷表达；yun-jaekim[16][17]等人曾研究裂纹在焊材和在热影响区两种不同情况下，失配因子对理想焊件塑性屈服载荷的影响;但加载条件都属于单轴加载，对于多轴加载还需进一步地探讨。而c.meek和r.a.ainsworth[21]曾研究双轴载荷因子和裂纹深度对中心裂纹板极限载荷的影响，提出了极限载荷的上限解和下限解，并通过有限元法得以验证，但使用的结构属于均匀结构，没有考虑失配因子。但对于非均匀结构双轴加载的极限载荷的研究目前很少有人涉及，然而这类情况常常会出现在高温压力容器中，因此，本研究主要对高温含裂纹非均匀结构（理想弹塑性和ramberg-osgood本构条件）在双轴载荷下极限载荷的数值计算与理论分析。

对含裂纹结构在多轴载荷作用下，利用参考应力法评估断裂参数对许多工程实际应用都具有一定的指导意义，例如，工作在高温条件下含裂纹的零部件，蠕变裂纹断裂参数的工程评估就是根据所定义的参考应力建立对应的评估方程[15]。因此，对不同结构，不同加载的情况下，参考应力的准确定义是工程安全评估的重要保障。曾有许多科学研究者提出了不同情况下断裂参数的参考应力法。例如，miura.n和y.takahashi[11]曾提出改进的参考应力法来评估表面裂纹板双轴载荷作用下的j积分，并通过有限元分析验证了其准确性。类似于j积分的参考应力法，也有许多文献提出了蠕变断裂参数的参考应力法及其改进方法，但所对应的条件比较单一。对于高温含裂纹非均匀结构的双轴加载等多个条件限制下，蠕变断裂参数参考应力法的研究很少有人涉及。然而，对于实际焊管，由于焊材、母材、热影响区的蠕变性能不同，存在着材料的不匹配。所以确定一个改进的蠕变断裂参数的参考应力法对实际非均匀结构的安全评估也具有重要的影响。

在断裂力学中，“约束效应”通常是指试样的结构、形状、尺寸、加载方式及载荷大小对裂纹尖端应力场的影响,弹塑性断裂条件下的约束效应已有很多研究，例如，在弹塑断裂力学中，通过确定几何裂纹约束参数q，得出了j-q理论。而蠕变条件下有关约束效应的研究还很有限，例如，wang.gz[8]等人曾分别对含深浅蠕变裂纹ct试样的拘束效应做过相应的研究，发现在相同的蠕变断裂参数和其他条件下，两种试样的裂尖张开应力分布存有很大差距，高约束的深裂纹试件明显高于低约束的浅裂纹试件，并提出了一个新的约束参数；yanweidai[22]等人曾提出一个独立的失配拘束参数来描述材料的失配拘束效应，并得出其在不同的失配因子、不同的蠕变阶段的变化规律。然而双轴载荷是压力容器常见的受载形式，但目前对双轴载荷下非均匀结构的蠕变约束分析的研究还很有限。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：

1)基于理想弹塑性本构关系，研究典型含裂纹非均匀结构的双轴极限载荷。调查理想弹塑性条件下失配及双轴载荷因子对于含裂纹缺陷结构极限载荷的影响；

2)基于ramberg-osgood本构关系，研究典型含裂纹非均匀结构的双轴极限载荷。分析失配及双轴载荷因子对于幂律硬化弹塑性本构条件下的非均匀结构极限载荷的影响；

3. 研究计划与安排

1)1-3周，完成文献调研，熟悉有限元软件，明确研究方向、研究方法及思路，并撰写完成开题报告；

2)4-6周，完成理想弹塑性及幂律硬化弹塑性条件下双轴极限载荷的分析及计算；

3)7-8周，完成改进的参考应力法计算c*。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]涂善东,轩福贞,王国珍.高温条件下材料与结构力学行为的研究进展.固体力学学报2010，31（6）.

[2]涂善东,轩福贞,王卫泽.高温蠕变与断裂评价的若干关键问题。金属学报。2009，45(7)，pp.781-787.

[3]常愿,徐鸿.多轴应力状态蠕变研究的进展及应用.材料导报a：综述篇.2014，28（6）.[4]张国尚1,荆洪阳1,马崇2,张玉凤1,霍立兴1.焊接接头脆性断裂评定的局部法研究进展.压力容器,2003（7).