承压热冲击下RPV承载力影响因素的数值分析

为研究承压热冲击下含缺陷的核反应堆压力容器(RPV)的极限承载力,借助ABAQUS软件建立含表面裂纹的RPV的3D有限元模型．通过热-力耦合分析,分别得到筒体区和喷嘴区的瞬态温度场和应力场．考虑到实际RPV断裂试验工作具有相当大的危险性,使用扩展有限元法(XFEM)对裂纹的扩展情况进行数值模拟．通过对含有不同位置和尺寸裂纹、具有不同壁厚容器的极限承载力分析,得到满足强度条件的各临界裂纹尺寸．结果表明,当表面裂纹距喷嘴口的距离达到一定程度,其长度对RPV结构的极限承载力不构成影响．在喷嘴区,随裂纹距喷嘴口距离的减小,临界裂纹尺寸迅速减小,喷嘴口上仅允许深长比较小的浅表面裂纹出现．     

带有中间裂纹载流薄板放电瞬间耦合场的数值模拟

应用耦合场理论采用数值分析的方法计算了具有中间裂纹的导电薄板在放电瞬间裂纹端区域附近的温度场、温度梯度场的分布状态。计算结果表明：由于电流产生的焦耳热源的作用，裂纹尖端处温度瞬时急剧升高，能够在很小的范围内熔化形成微小的口，裂纹前缘的曲率半径增加了几个数量级，显著地减少了应力集中，阻止了干线裂纹源的形成，有效地遏制了裂纹的扩展，数值模拟采用了热－电耦合的分析方法，考虑了材料电阻随温度变化和电流流过生成的内热源间的相互作用，同时考虑了导热系数和比热随温度变化所产生的影响，对于具有中间裂纹的载流反，根据结构、材质、边界条件及通电电流的对称性，计算得到了两个裂纹尖端完全对称的结果。     

裂尖曲率对裂纹前缘塑性区的影响

考虑尖端为圆弧形的钝头裂纹模型，在外围取线弹性无裂纹体的解，应用线场分析方法。形成一套估计钝头裂纹前缘塑性区尺寸的方法。对含径向裂纹和圆弧形裂尖的圆盘受均匀张力作用情况，给出了塑性区的裂纹前缘尺寸与裂纹尖端曲率的关系。得到的结论是，塑性区的裂纹前缘尺寸与裂纹尖端曲率有关；对于给定的塑性区的裂纹前缘尺寸，载荷反比于外缘尺寸的平方。前一结论说明了塑性区的裂前尺寸作为裂纹失稳扩展判断的局限性；后一结论说明了裂纹体强度失效的尺寸效应规律：抗断强度与总体线尺寸的平方成反比。     

自紧身管临界裂纹尺寸的概率断裂力学研究

基于概率断裂力学理论和Mome Caflo模拟方法，本文进行了自紧身管临界裂纹尺寸的可靠性研究。自紧身管内表面的疲劳裂纹考虑为半椭圆形式。裂纹尖端处的应力强度因子由内压和自紧残余应力共同产生。自紧残余应力采用了符合身管材料具有强化和包辛格效应性能推导的公式计算，它产生的应力强度因子通过权函数方法得到。根据断裂准则，可计算出自紧身管的临界裂纹尺寸。实例分析表明，对数正态分布为临界裂纹尺寸的最佳分布，同时给出了在各种置信度和可靠度下自紧身管的临界裂纹尺寸。     

一种固体推进剂破坏的细观实验研究

固体推进剂是一种颗粒填充高能聚合物,其破坏时所表现出的一些行为和金属的破坏相比,有明显不同之处。本文利用扫描电镜,给出了受载情况下固体推进剂试件的损伤发展以及裂纹扩展过程。结果表明,损伤的发展过程也就是微裂纹区扩展及微裂纹密度加大的过程,而裂纹扩展过程中的慢速扩展和亚临界扩展的最大区别则是其裂尖损伤区范围不同,同时也表明,裂纹尖端和边缘的微裂纹损伤区尺寸已不容忽略。     

具有半边裂纹导电薄板放电瞬间的温度场数值模拟

采用数值模拟方法 ,模拟计算了具有半边裂纹的导电薄板在放电瞬间的温度场分布。计算结果表明 :在裂纹尖端附近由于电磁热的集中效应 ,可使材料熔化形成焊口 ,裂纹尖端处的曲率半径显著增大 ,并且焊口的温度分布与形状是不完全对称的。裂纹尖端焊口形状的模拟计算结果与试验结果非常吻合。从温度梯度的分布结果可知 ,裂纹前缘附近在放电过程中将产生很大的压应力 ,可显著减少甚至是消除裂纹前缘处的扩展应力数值 ,抑制了裂纹主干线的形成 ,可达到遏制裂纹扩展的目的     

GCr15凹模环形裂纹电磁热局部跨越止裂的模拟研究

裂纹止裂技术是当前工业生产和实际应用中急需解决的关键问题;利用电磁热效应对带有裂纹的金属构件进行止裂,是达到延长工作寿命、提高安全性可靠性的一种行之有效的方法;本文采用有限元方法研究了带有半埋藏环形裂纹的轴对称GCr15凹模电磁热局部跨越止裂;建立了超强脉冲电流放电瞬间,环形裂纹尖端附近电场、温度场和热应力场的耦合关系。数值模拟分成热-电耦合(焦耳热问题)和热-机械耦合两个过程来实现,通过数值解析轴对称模型,给出了脉冲放电瞬间GCr15凹模中的电流-温度-热应力的求解过程,得到了脉冲放电瞬间半埋藏环形裂纹局部跨越止裂时凹模的温度场和热应力场。数值模拟研究结果表明:由于热集中效应,在放电瞬间裂纹尖端金属熔化,并形成局部堆焊,阻止了干线裂纹源的开裂,达到了止裂的目的。     

NiTi形状记忆合金裂纹尖端热力耦合行为研究

本文对NiTi形状记忆合金I型裂纹尖端热力耦合行为进行了数值仿真分析和实验验证。建立了包含相变和热力耦合的本构模型,通过有限元计算得到了裂纹尖端附近的纵向应变、马氏体体积分数和温度场分布,依据马氏体相变情况对裂纹尖端有效应力强度因子进行了修正,揭示了加载速率对形状记忆合金裂纹尖端有效应力强度影子的影响规律。参数研究表明,随着加载频率的增加,裂纹尖端附近温度逐渐升高,马氏体相变区域逐渐缩小,有效应力强度因子呈下降趋势,形状记忆合金表现出增韧效应,有助于减缓裂纹扩展。本研究结果对于揭示热力耦合作用下超弹性形状记忆合金疲劳裂纹扩展规律具有重要参考意义。     

冲击载荷下两裂纹间的连通规律

脆性材料内部含有大量裂纹，当某一裂纹扩展时，其他裂纹会对扩展裂纹产生影响。为了研究冲击载荷下，脆性材料内两裂纹的相互影响、连通规律及裂纹尖端应力强度因子的变化规律，利用有机玻璃板制作了含非平行双裂纹的实验试件，利用落板冲击设备进行了中低速冲击实验，结合有限元分析软件ABAQUS计算出裂纹尖端应力强度因子，利用有限差分软件AUTODYN进行了动态数值模拟研究，并将其模拟结果与实验结果进行对比分析。实验及模拟结果表明:裂纹破坏形态与AUTODYN数值模拟破坏形态基本一致；试件的断裂形态随着两裂纹间距不同而不同；裂纹间的相互影响程度随着裂纹间间距增大而减小；裂纹尖端应力强度因子K_I随着裂纹间距的增大而减小，而K_II随着裂纹间距增大而增大。     

非常规态型近场动力学热黏塑性模型及其应用

在非常规态型近场动力学(non-ordinary state-based peridynamics, NOSB-PD) 理论框架下构建了考虑应变率效应、塑性硬化、热软化效应和材料断裂特征的非局部三维热黏塑性固体本构模型以及相应的非局部空间积分型数值算法, 并应用于金属类材料和构件在冲击载荷作用等工况下的高应变率热黏塑性变形与破坏分析. 通过对经典含初始裂纹Kalthoff-Winkler板冲击试验进行三维近场动力学模拟, 可得到裂纹的起裂角度、扩展路径、扩展速度以及裂纹扩展过程中靶板等效应力和温度分布, 所得结果与已有试验结果和其他数值方法结果吻合较好. 在此基础上, 应用该模型分析了不同冲击速度作用下金属靶板的变形与裂纹扩展过程, 结果表明: 该模型能较好地模拟不同冲击速度(应变率)情况下靶板的变形与破坏全过程. 随着冲击速度变化, 初始裂纹的起裂时间、扩展方向和扩展速度呈一定规律变化. 冲击速度越低, 起裂时间越晚(直至冲击速度低于某值时初始裂纹不扩展), 裂纹扩展速度峰值越低, 冲击过程中靶板温度峰值越低, 完全扩展所需时间越长.      

气压对压力容器前壁超高速撞击损伤的影响

充气压力容器在超高速撞击下的典型损伤包括穿孔及其边缘的裂纹失稳破坏,会导致气体泄漏或爆炸,内压对容器前壁损伤的影响仍不明确。以不同内压的球形铝合金充气压力容器为研究对象,开展了球形铝合金弹丸超高速撞击实验和数值模拟计算,分析了内充气体压强对前壁穿孔形貌特征、穿孔直径、孔边环向应力等的影响规律和影响机理,讨论了气体冲击波的传播行为及影响前壁穿孔边缘裂纹失稳破坏的机制。结果表明:前壁穿孔边缘内翻边形貌与内压相关,内压越高,弯折程度越轻;穿孔直径与内充气体压强正相关,但气体对孔径的影响远小于容器壁厚及撞击速度的影响;穿孔边缘使裂纹失稳破坏的环向拉应力不仅受到后壁反射冲击波的影响,也与容器壁内应力波的传播有关,与内压成正比。     

Assessment by comparison and experimental verification of VVER reactor pressure vessel integrity

This work is concerned with assessing the lifetime integrity of VVER (water-water power reactor) reactor pressure vessel. Results based on the Soviet Code are compared with those of the ASME Code, Section III and XI. Similarities and discrepancies are illustrated and discussed in connection with numerical results of a typical RPV (reactor pressure vessel) under operational conditions. Involved are data for fracture toughness, crack initiation and crack arrest conditions. Considerations are also given for possible adoption of the ASME Code for VVER reactors.     

含埋藏椭圆形裂纹金属构件电磁热止裂时热应力场分析

对带有椭圆埋藏裂纹金属构件在脉冲放电瞬间的热应力场进行了理论分析。在热应力场的求解中,利用了热传导和非定常热应力理论,由求解的热应力场公式发现：在脉冲放电瞬间,电磁热在裂纹尖端形成热压应力场,热压力场可有效地抑制裂纹的扩展。以Cr12MoV模具钢中埋藏椭圆裂纹止裂为例,具体计算了脉冲放电瞬间的热应力场分布情况,为空间裂纹电磁热止裂技术的实际应用提供了理论基础。     

In-plane and out-of-plane constraint effects under pressurized thermal shocks

Transferability of fracture toughness data obtained on small scale specimens to a full-scale cracked structure is one of the key issues in integrity assessment of engineering structures. In order to transfer fracture toughness under different constraints, both in-plane and out-of-plane constraint effect should be considered for the specimens and structures. In this paper both in-plane and out-of-plane constraint effects of a crack in a reference reactor pressure vessel (RPV) subjected to pressurized thermal shocks (PTSs) are analyzed by two-parameter and three-parameter methods. The comparison between elastic and elastic–plastic analysis shows that the constraint effect varies with the material property. T₁₁ (the second term of William’s extension acting parallel to the crack plane) generally displays a reversed relation to the stress intensity factor (SIF) with the transient time, which indicates that the loading (SIF) plays an important role on the in-plane constraint effect. The thickness at the crack tip contributes more than the loading to the out-of-plane constraint, such that T₃₃ (the second term of William’s extension acting along the thickness) displays a similar relation to ε₃₃ (strain along the thickness direction) and a different relation to T₁₁ during the transient. The results demonstrate that both in-plane and out-of-plane constraint effect should be analyzed separately in order to describe precisely the stress distribution ahead of the crack tip.     

预置圆孔膨胀环动态断裂行为研究

利用中心线起爆膨胀环加载技术,采用分幅摄影技术观测了20号钢圆环在准一维拉伸作用下,预置圆孔缺陷临近区域的动态断裂特征。获得了高应变率下圆孔的变形、裂纹的萌生及扩展过程。并采用LS-DYNA3D有限元程序分步建模,将驱动器对膨胀环的冲击压力简化为直接作用于圆环内壁的压力历史,以此模拟了整个断裂过程。通过实验图像,得到裂纹尖端的位移以及速度随时间变化的曲线。结果表明,宏观可见裂纹出现于应力集中最大处,裂纹扩展速度随时间振荡,数值模拟与实验结果吻合较好。     

Fatigue crack growth induced by domain switching under electromechanical load in ferroelectrics

Reliability calls for a better understanding of the failure of ferroelectric ceramics. The fracture and fatigue of ferroelectric ceramics under an electric field or a combined electric and mechanical loading are investigated. The small-scale domain-switching model is modified to analyze failure due to fracture and fatigue. Effects of anisotropy and electromechanical load coupling are taken into account. Analytical expressions are obtained for domain-switching regions near the crack tip such that of 90° domain switching can be distinguished from 180° domain switching in addition to different initial poling directions. The crack tip stress intensity variation of ferroelectric ceramics due to the domain switching is analyzed. A positive electric field tends to enhance the propagation of an insulating crack perpendicular to the poling direction, while a negative field impedes it. Fatigue crack growth under various coupling loads and effects of the stress field and electric field on near field stress intensity variation are analyzed. Predicted crack growth versus cyclic electric field agrees well with experiment.     

THERMAL STRESS FIELD WHEN CRACK ARREST IN AN AXIAL SYMMETRY METAL DIE USING ELECTROMAGNETIC HEATING

In order to solve the thermal stress field around crack tip in metal die when crack prevention using electromagnetic heating, a metal die with a half-embedded round crack was selected as the study object. The complex function method was used as a basis for the theoretical model of the space crack prevention in metal dies using electromagnetic heating. The crack arrest was accomplished by a pulse current discharge through the inner and outer. The theoretical analysis results show that the temperature around the crack tip rises instantly above the melting point of the metal. Small welded joints are formed at a small sphere near the crack tip inside the metal die by metal melting as a result of the heat concentration effect when the current pulse discharged. The thermal compressive stress field appears around the crack tip at the moment. The research results show that the crack prevention using electromagnetic heating can decrease the stress concentration and forms a compressive stress area around the crack tip, and also prevents the main crack from propagating further, and the goal of crack preventing can be reached.     

单边裂纹通电瞬间裂尖处应力场的复变函数解

本文应用复变函数中的Schwarz-Christoffel变换方法，在具单边裂纹的导电薄板通电瞬间温度场复变函数解的基础上，推导出用复变函数表示的应力场的表达式，并且给出算例，通过理论计算得知；当对具有单边裂纹的导电薄板通入适当密度的电流时，裂尖处温度急剧升高并熔化便裂尖变钝。同时，在裂尖周围形成了有利于遏制裂纹扩展的压应力场，有效地防止了裂纹沿其主方向和其它方向延伸。从理论上证明了电磁热效应在裂尖处产生高温形成焊口的同时，压应力场的形成是遏制裂纹扩展的主要因素之一。理论计算结果与实验结果比较吻合，为这一止裂方法的应用打下了理论基础。