高温结构蠕变裂尖拘束效应

如何对蠕变裂纹扩展寿命进行准确预测和评价是高温结构完整性评定、寿命设计和运行维护中需要解决的核心问题.基于宏观单参数C?的蠕变断裂行为的评价方法,未有效纳入裂尖拘束效应的影响,因而其评价结果过于保守或非保守.目前国内外还未建立起有效纳入裂尖拘束效应的高温结构蠕变寿命评价的理论体系和技术方法,还没有纳入蠕变拘束效应的高温结构完整性评定规范.本文综述了作者近年来在高温蠕变断裂拘束效应方面的研究工作.主要包括:裂尖拘束对材料蠕变裂纹扩展行为的影响及机理;蠕变裂尖场和拘束参数R的定义和影响因素;载荷无关的蠕变拘束参数R? 的提出及其应用基础;承压管道表面裂纹的拘束参数R? 解及纳入裂尖拘束的蠕变寿命评价方法;试样与管道轴向裂纹蠕变裂尖拘束的关联;基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外蠕变裂尖拘束的统一表征参数Ac的研究;材料拘束相关的蠕变裂纹扩展速率的建立;宽范围C? 区蠕变裂纹扩展速率及其拘束效应的数值预测;材料拘束对焊接接头蠕变裂纹扩展行为的影响及机理等.这些研究为建立纳入裂尖拘束效应的高温部件的蠕变裂纹扩展寿命评价方法奠定了理论和技术基础.论文对后续拟开展的工作也进行了展望.     

高温结构蠕变裂尖拘束效应

如何对蠕变裂纹扩展寿命进行准确预测和评价是高温结构完整性评定、寿命设计和运行维护中需要解决的核心问题.基于宏观单参数C~*的蠕变断裂行为的评价方法,未有效纳入裂尖拘束效应的影响,因而其评价结果过于保守或非保守.目前国内外还未建立起有效纳入裂尖拘束效应的高温结构蠕变寿命评价的理论体系和技术方法,还没有纳入蠕变拘束效应的高温结构完整性评定规范.本文综述了作者近年来在高温蠕变断裂拘束效应方面的研究工作.主要包括:裂尖拘束对材料蠕变裂纹扩展行为的影响及机理;蠕变裂尖场和拘束参数R的定义和影响因素;载荷无关的蠕变拘束参数R~*的提出及其应用基础;承压管道表面裂纹的拘束参数R~*解及纳入裂尖拘束的蠕变寿命评价方法;试样与管道轴向裂纹蠕变裂尖拘束的关联;基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外蠕变裂尖拘束的统一表征参数A_c的研究;材料拘束相关的蠕变裂纹扩展速率的建立;宽范围C~*区蠕变裂纹扩展速率及其拘束效应的数值预测;材料拘束对焊接接头蠕变裂纹扩展行为的影响及机理等.这些研究为建立纳入裂尖拘束效应的高温部件的蠕变裂纹扩展寿命评价方法奠定了理论和技术基础.论文对后续拟开展的工作也进行了展望.     

Creep crack-tip constraint effect in high temperature structures

如何对蠕变裂纹扩展寿命进行准确预测和评价是高温结构完整性评定、寿命设计和运行维护中需要解决的核心问题.基于宏观单参数C^*的蠕变断裂行为的评价方法,未有效纳入裂尖拘束效应的影响,因而其评价结果过于保守或非保守.目前国内外还未建立起有效纳入裂尖拘束效应的高温结构蠕变寿命评价的理论体系和技术方法,还没有纳入蠕变拘束效应的高温结构完整性评定规范.本文综述了作者近年来在高温蠕变断裂拘束效应方面的研究工作.主要包括：裂尖拘束对材料蠕变裂纹扩展行为的影响及机理;蠕变裂尖场和拘束参数R的定义和影响因素;载荷无关的蠕变拘束参数R^*的提出及其应用基础;承压管道表面裂纹的拘束参数R^*解及纳入裂尖拘束的蠕变寿命评价方法;试样与管道轴向裂纹蠕变裂尖拘束的关联;基于裂尖等效蠕变应变的面内与面外蠕变裂尖拘束的统一表征参数A_c的研究;材料拘束相关的蠕变裂纹扩展速率的建立;宽范围C^*区蠕变裂纹扩展速率及其拘束效应的数值预测;材料拘束对焊接接头蠕变裂纹扩展行为的影响及机理等.这些研究为建立纳入裂尖拘束效应的高温部件的蠕变裂纹扩展寿命评价方法奠定了理论和技术基础.论文对后续拟开展的工作也进行了展望.     

熔盐堆空气换热器结构完整性分析

熔盐堆作为第四代核反应堆备选堆型之一,运行温度高,对材料高温性能要求严格;熔盐堆空气换热器作为实验堆关键设备,工作温度高,启停机次数多,长期运行后,材料许用应力松弛下降,应力、应变可能超出允许限值,或发生蠕变疲劳失效。使用Workbench软件,对熔盐堆空气换热器进行力学分析,并对A级使用载荷要求进行结构完整性评定,结果表明:熔盐堆空气换热器满足力学性能要求,其中疲劳损伤占比重较大,高温蠕变损伤也较为显著。     

基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲失效特性分析

为了预测三维编织C/C复合材料的弯曲失效行为,基于多尺度渐进展开理论,结合细观渐进损伤模型,建立了三维编织C/C复合材料宏细观多尺度分析模型。通过商业有限元软件ABAQUS用户子程序UMAT的二次开发,在宏观结构有限元分析中实时调用细观单胞模型进行细观渐进损伤分析,实现了宏细观尺度之间交互式信息传递和多尺度损伤模拟。利用上述模型对三点弯曲载荷下三维编织C/C复合材料梁的渐进损伤和失效过程进行了模拟,预测了梁的载荷-挠度曲线和弯曲强度,并与实验结果进行了对比分析,验证了基于多尺度方法的三维编织C/C复合材料弯曲强度预测模型的有效性,为此类材料及结构失效分析提供了一种手段。     

含裂纹结构时间相关的疲劳断裂理论与剩余寿命评价技术

高温结构的疲劳失效是与时间相关的, 建立这一失效机制下的断裂理论和寿命评价技术, 进而控制结构失效是人们多年来努力的目标. 从裂纹扩展控制参量、裂纹扩展规律和寿命评价技术、材料老化与环境因素影响和结构完整性评定工程方法等几个方面, 对近年来这一领域的研究进展进行了总结, 并对今后该领域的发展方向进行了预测.      

大型土木结构多尺度模拟与损伤分析——————从材料多尺度力学到结构多尺度

从阐述重大土木工程结构安全运营面临的挑战性课题------结构多尺度力学问题开始, 对多尺度力学中的材料多尺度模拟和结构多尺度模拟的工程背景、多尺度特征和关键研究内容进行比较性评述;在此基础上, 重点介绍了对研究大型土木结构多尺度力学问题可能有参考价值的材料多尺度模拟和分析方法如周期性异质材料问题的平均化与渐进分析方法、单位分解法和多尺度重构核函数法, 以及大型土木结构多尺度模拟与分析领域的研究现状,由此引出结构多尺度力学研究中亟待解决的关键问题并加以评述;通过认识与比较结构多尺度与材料多尺度问题的共性与个性, 文中综述了在大型土木结构多尺度问题的研究进程中可供参考的理论与方法, 提出了这类结构多尺度力学问题研究的几个关键科学问题为: 结构多尺度模拟中的连接与跨越问题、多尺度模型的修正和验证、结构损伤的时间多尺度模拟与分析、结构强度和损伤失效过程中多尺度分析的跨尺度敏感性与随机性因素, 以及适用于大型土木结构多尺度模拟和计算分析的实施策略与技术.      

《固体材料的冲击动力学行为》专辑序言

<正>随着我国新型交通运输技术、航空航天技术、武器装备技术、工程防护技术等方面的飞速发展,冲击动力学问题日渐突出。其中材料和结构的损伤断裂形式、结构耐撞特性与吸能行为、新型防爆抗冲击材料的研发、武器的设计与优化、防护装备的研发与设计、工程爆破技术等都与冲击动力学行为密切相关。特别地,在国防工业及武器装备的研制与开发中,冲击动力学更是具有极其重要的应用价值。     

超超临界汽缸高温强度及多轴蠕变分析

超超临界汽轮机汽缸的多轴蠕变分析与高温强度设计对机组安全高效运行至关重要.对于在超超临界参数下中压内缸,它的主要破坏来自于高温和复杂应力共同作用下的蠕变损伤.随着蒸汽参数(温度T,压力P)的不断提升,原汽缸承受的蠕变损伤越发严重,因此有必要进行局部结构改进.应用基于受约束孔洞长大机制的Cocks-Ashby多轴蠕变模型对新老汽缸进行了对比分析,并采用了有限元计算方法得到了汽缸多轴蠕变等效应变的分布.结果表明:基于孔洞长大蠕变理论能较好地预测汽缸危险点的多轴蠕变;新汽缸比老汽缸在抗蠕变性能方面有一定改善.     

《固体材料的冲击动力学行为》专辑序言

<正>随着我国新型交通运输技术、航空航天技术、武器装备技术、工程防护技术等方面的飞速发展，冲击动力学问题日渐突出。其中材料和结构的损伤断裂形式、结构耐撞特性与吸能行为、新型防爆抗冲击材料的研发、武器的设计与优化、防护装备的研发与设计、工程爆破技术等都与冲击动力学行为密切相关。特别地，在国防工业及武器装备的研制与开发中，冲击动力学更是具有极其重要的应用价值。     

Effect of constraint induced by crack depth on creep crack-tip stress field in CT specimens

In this paper, the effect of constraint induced by the crack depth on creep crack-tip stress field in compact tension (CT) specimens is examined by finite element analysis, and the effect of creep deformation and damage on the Hutchinson–Rice–Rosengren (HRR) singularity stress field are discussed. The results show the constraint induced by crack depth causes the difference in crack-tip opening stress distributions between the specimens with different crack depth at the same C*. The maximum opening stress appears at a distance from crack tips, and the stress singularity near the crack tips does not exist due to the crack-tip blunting caused by the large creep deformation in the vicinity of the crack tips. The actual stress calculated by the finite element method (FEM) in front of crack tip is significantly lower than that predicted by the HRR field. Based on the reference stress field in the deep crack CT specimen with high constraint, a new constraint parameter R is defined and the constraint effect in the shallow crack specimen is examined at different distances ahead of the crack tip from transient to steady-state creep conditions. During the early stages of creep constraint increases with time, and then approaches a steady state value as time increases. With increasing the distance from crack tips and applied load, the negative R increases and the constraint decreases.     

The constitutive representation of high-temperature creep damage

The elastic-viscoplastic constitutive equations of Bodner-Partom were applied to modeling creep damage in a high temperature Ni-alloy, B1900 + Hf. Both tertiary creep in bulk materials and creep crack growth in flawed materials were considered. In the latter case, the energy rate line integral C^* was used for characterizing the crack driving force, and the rate of crack extension was computed using a local damage formulation that assumed fracture was controlled by cavitation occurring within the crack-tip process zone. The results of this investigation were used to assess the evolution equation for isotropic damage utilized in the Bodner-Partom constitutive equations.     

高温环境下纤维复合材料蠕变损伤的细观机理研究

首先利用复合材料纤维断裂单胞模型，编制蠕变损伤子程序，对单胞模型进行蠕变损伤分析。分析了纤维／基体弹性模量比对蠕变变形、蠕变损伤以及应力场的影响。从计算结果发现，蠕变损伤首先在纤维断裂尖端起始，然后沿着一定的角度向基体外围延伸，直至完全损伤，而且纤维／基体模量比对高温环境下的复合材料蠕变损伤产生很大的影响；纤维与基体的模量相差越大，复合材料越容易变形，抵抗蠕变变形的能力就越小，蠕变损伤越严重。经过对不同韧性的基体材料进行研究，发现基体韧性低的复合材料蠕变损伤明显高于高韧性基体复合材料，表明低韧性基体复合材料抵抗蠕变破坏的能力较低。     

Creep behavior of crack near bi-material interface characterized by integral parameters

Creep behavior of crack in dissimilar materials is studied using steady-state C^* path independent integral and ABAQUS finite element code. The specific geometry involves an edge crack parallel to the interface of a bi-material tensile specimen at high temperature. Under extensive creep, the C^* value for the bi-material specimen can be significantly higher than that for the homogeneous specimen. For small-scale creep material mismatch has little influence on the transient integral designated by C_t. The integral parameters C^* or C_t are shown to depend on the inhomogeneity of the system and cannot characterize the creep behavior of cracks.The approach is extended to creep crack growth in a welded compact tension specimen. Modification factors are introduced for different crack and weld interface geometries.     

镍基单晶高温合金定向粗化行为及高温蠕变力学性能研究进展

镍基单晶高温合金是一种广泛应用于航空发动机和工业燃气轮机的两相叶片材料,由软的$\gamma $ 基体相和均匀镶嵌在其中的立方状 $\gamma'$ 沉淀强化相组成.它有个显著的特征,即在高温施加应力条件下, $\gamma '$沉淀相会发生定向粗化, 形成筏状.这种筏化行为直接影响了合金的蠕变疲劳寿命,是镍基单晶高温合金强化机制研究的重点. 此外,镍基单晶高温合金无晶界, 不存在高温晶界弱化、纵向晶界裂纹等问题.因此, $\gamma$/$\gamma'$相界面的位错运动、微观结构以及在载荷和温度作用下的演化决定了其蠕变力学性能.本文从镍基单晶高温合金的微观强化机制出发对定向粗化行为及蠕变力学性能进行了综述.重点介绍了定向粗化行为发生的微观机理、驱动力、影响因素和蠕变过程中界面微结构演化、蠕变力学模型以及定向粗化对高温蠕变力学性能的影响,指出了高温蠕变力学性能研究的发展方向和仍待解决的问题.      

非线性粘弹体的时间-温度-应力等效原理及其应用

考虑粘弹性材料特征时间的应力相关性,认为应力水平与温度、压力、溶剂浓度、损伤及老化等材料特征时间的影响相似,有其等效性。依自由体积理论,推导了温度－应力移位因子的表达式,提出了时间－温度－应力等 效原理。应用此原理,可以将不同温度和应力水平下的儒变曲线移位成某一参考温度和参考应力水平下的主曲线,从而可以通过较高温度和应力水平下的短期蠕变行为来预测较低温度和应力水平下的较长期的蠕变行为。实例分析了高密度聚乙烯（HDPE）非线性蠕变行为的－应力等效性。     

沉淀相的尺寸与形态对镍基合金蠕变行为的影响

镍基合金具有优良的高温力学性能,广泛应用于涡轮叶片等热端部件。沉淀相的尺寸和形态是影响镍基合金力学性能的重要因素。本文在考虑应变梯度的镍基合金晶体塑性本构模型的基础上,引入了各向异性损伤张量,研究了包含两种不同尺寸和三种不同长细比的沉淀相形态的镍基合金蠕变行为。结果表明,该模型能够很好地反映沉淀相的尺寸对镍基合金蠕变行为的影响,与实验结果符合较好。同时,沉淀相的形态也对镍基合金的力学性能产生重要影响,随着沉淀相长细比的增加,镍基合金的蠕变寿命延长,这体现了粗化和形态对镍基合金蠕变行为影响的一种竞争的机制。     

A two-scale time-dependent damage model based on non-planar growth of micro-cracks

This paper presents the theoretical developments and the numerical applications of a time-dependent damage law. This law is deduced from considerations at the micro-scale where non-planar growth of micro-cracks, following a subcritical propagation criterion, is assumed. The orientation of the crack growth is governed by the maximum energy release rate at the crack tips and the introduction of an equivalent straight crack. The passage from micro-scale to macro-scale is done through an asymptotic homogenization approach. The model is built in two steps. First, the effective coefficients are calculated at the micro-scale in finite periodical cells, with respect to the micro-cracks length and their orientation. Then, a subcritical damage law is developed in order to establish the evolution of damage. This damage law is obtained as a differential equation depending on the microscopic stress intensity factors, which are a priori calculated for different crack lengths and orientations. The developed model enables to reproduce not only the classical short-term stress-strain response of materials (in tension and compression) but also the long-term behavior encountering relaxation and creep effects. Numerical simulations show the ability of the developed model to reproduce this time-dependent damage response of materials.