周向表面裂纹压力管道塑性跨塌失效的理论与实验研究（一）—塑性垮塌失效的三维弹塑性有限元分析

采用三维弹塑性有限元分析方法，探索了石油化工行业周向表面裂纹管的塑性垮塌失效特征，结果表明：周向表面裂纹管在发生净截面塑性发生裂纹前沿韧带的局部塑性垮塌，对于裂纹深度较浅的周向表面裂纹管，其塑性垮塌失效形式呈现为裂纹净截面塑性垮塌失效，净截面垮塌（NSC）准则能较好地预测其韧带局部塑性垮塌失效截荷；对于短且深的周向表面裂纹管，裂纹前沿韧带的局部塑性垮塌失效相当明显，此时净截面垮塌准则（NSC）预测其韧带局部塑性垮塌失效载荷则表现为非保守，须建立相应的韧带局部塑性垮塌失效模型来描述。     

周向表面裂纹压力管道塑性垮塌失效的理论与实验研究(二)--韧带局部塑性垮塌失效模型

建立了周向表面裂纹管的韧带局部塑性垮塌失效准则及相应的失效模型，导出了拉弯组合加载条件下周的表面裂纹管韧带局部塑性垮塌失效载荷的理论解。与净截面塑性垮塌（NSC）模型预测结果及有限元计算结果进行了比较，结果表明：对于裂纹尺寸为a/t≥0．5及θ/π≤0．5的短深周向表面裂纹管，韧带局部塑性垮塌失效模型是合理可用的。最后，给出了便于工程应用的周向表面裂纹管韧带局部塑性垮塌失效模型及净截面塑性垮塌失效模型的适用范围。     

周向表面裂纹压力管道塑性垮塌失效的理论与实验研究(三)--塑性垮塌失效的实验研究

对6根碳钢周向表面裂纹管进行了四点弯加载实验，研究了周向表面裂纹管的塑性垮塌失效特征，根据ASME规范的塑性极限载荷确定方法，由实验测得的载荷－加载点位移（P－△）曲线及载荷－裂纹嘴张开位移（P－CMOD）曲线，确定了周向表面裂纹管的整体塑性垮塌失效载荷及韧带局部塑性垮塌失效载荷。实验结果与作者建立的周向表面裂纹管净截面垮塌（NSC）模型与韧带局部塑性垮塌（LC）模型的预测载荷进行了比较，表明作者推荐的NSC模型与LC模型对周向表面裂纹管的适用范围是合理可行的。     

基于NSC准则的周向裂纹管塑性极限载荷分析

本文基于NSC（NetSectionCollapse,净截面垮塌）准则建立了拉弯组合受载条件下周向埋藏裂纹厚壁管的塑性极限载荷状态受力模型,并由此获得了周向裂纹管塑性极限载荷的通用解。利用通用解,考察了各主要因素对裂纹管承载能力的影响,并导出了在不同受载条件（纯拉、纯弯及拉弯组合载荷）下,不同裂纹构型（表面裂纹、埋藏裂纹、穿透裂纹及复杂裂纹）的周向裂纹管塑性极限载荷计算式。     

周向裂纹管道在含扭转各种组合变形时的极限载荷分析

到目前为止，还没有文献给中向裂纹管道在非对称弯曲及扭转组合变形时的塑性极限载荷计算公式。文中根据净截面垮塌准则用沙堆比拟法分别求出埋藏裂纹、外表面裂纹、内表面裂纹、穿透裂纹管道发生扭转变形时的塑性极限扭矩；给出含周向裂纹薄壁管道横截面上的剪应力分布规律，其塑性极限扭矩等于一个闭口薄壁截面与一个开口薄壁截面圆环的塑性极限扭矩之和，闭口薄壁截面的壁厚为管道壁厚减裂纹深度；开口薄壁截面的壁厚为裂纹的深度。推导了各种周向裂纹管在内压、轴力、扭矩及非对称弯矩共同作用时的塑性极限载荷关系式，并由此给出其他一些组合变形时的极限载荷计算公式。本文结果可供管道安全评价时参考。     

拉,弯,扭及内压载荷下周向裂纹管的塑性极限载荷

本文提出了在轴向力、弯矩、扭转及内压联合载荷作用下含周向裂纹管塑性破坏载荷的力学模型。按ＶｏｎＭｉｓｅｓ准则可确定塑性跨塌时净截面上诸正应力值,进一步又给出了各种裂纹管道（诸如表面裂纹、穿透裂纹等）的诸塑性极限载荷表达式。本文对缺陷评定十分有用。     

内压碟形封头塑性垮塌压力预测方法

塑性垮塌是内压碟形封头设计必须考虑的重要失效模式之一,精准预测塑性垮塌压力有助于避免碟形封头发生塑性垮塌事故。考虑材料应变硬化的影响,从有限元分析、公式计算、试验验证三方面开展内压碟形封头塑性垮塌压力预测方法研究。采用基于弧长法的非线性有限元技术,建立考虑应变硬化的碟形封头塑性垮塌压力预测数值模型。在前人研究基础上,推导出碟形封头塑性垮塌压力计算公式。汇总文献中16个碟形封头爆破试验数据,对提出的预测方法进行验证分析。结果表明:公式计算、有限元分析与试验结果吻合良好,验证了碟形封头塑性垮塌压力的有限元模型和公式计算的可靠性和准确性。为建立考虑材料应变硬化的防止碟形封头塑性垮塌的设计方法提供技术支撑。     

复杂载荷下含未焊透缺陷压力管道塑性极限载荷分析

针对净截面垮塌(NSC)准则仅适用于拉、弯组合载荷的局限性,根据压力管道实际受力特点,提出了一种基于内压/弯矩/扭矩复杂载荷作用下的含未焊透缺陷压力管道塑性极限载荷理论分析方法及其表达式,该方法还充分考虑了管道曲率(管径比)、未焊透缺陷环向长度、深度对压力管道塑性极限载荷的影响。借助有限元分析方法对含各类未焊透缺陷的压力管道塑性极限载荷进行了数值计算并与理论值进行了比较。结果表明:该方法能较好地反映含未焊透缺陷压力管道的实际承载能力,结果可靠,可大大提高含未焊透缺陷压力管道安全评定的有效性。     

脉动载荷下换热器管板接头塑性失效研究

管板接头是换热器常见失效部位,其中交替塑性失效模式缺乏研究。基于材料的多线性等向强化(MISO)本构模型,对U型管式换热器角焊缝管板接头和新型内孔焊管板接头进行了弹塑性数值模拟。通过提取管板管桥中心及管板管孔附近区域的节点的应力及应变数据,得到了在脉动递增载荷下的双向应力和应变规律。结果表明,在脉动载荷的递增加载与卸载过程中,两管板接头的残余应力与残余应变存在差异;随着脉动幅值的递增,塑性应变不断累积,为防止结构最终发生塑性失效,需对应变进行合理控制。通过分析发现管接头内缘处是较容易发生交替塑性失效的部位,在对换热器管板接头失效分析时,应重视载荷历程和焊接接头形式对管板的影响。     

延性材料制表面裂纹受拉平板与圆筒的韧带屈服载荷分析与研究

用延性较好的材料制成的压力容器或构件。一旦存在表面裂纹,它的破坏过程是:随载荷的增加,先发生韧带屈服,然后才发生裂纹启裂,继而发生或韧带切断(即先漏后破),或整体爆破。而构件的净截面屈服可能在裂纹启裂以前或以后。故韧带屈服的载荷(计为σ_e或     

含裂纹构件塑性失效时载荷与位移关系的闭合解

对含裂纹构件的一种失效模式(韧带屈服)进行研究.将构件位移分成线弹性位移与塑性位移.在进行线弹性位移分析时,采用断裂力学中的能量差率方法与固体力学中的余能原理.在进行弹塑性位移分析时,建立三区力学模型,在此基础上得到载荷位移关系与构件承载能力表达式的闭合解.此解与试验结果具有很好的一致性.     

热老化对核电厂一回路主管道LBB分析失效模式的影响

核电厂一回路主管道的材料热老化对其"未爆先漏"(LBB)分析存在明显的影响,基于美国NUREG/CR 4513报告,分析了热老化对一回路主管道的结构塑性极限载荷、裂纹扩展稳定性图(J-T图)、弹塑性断裂失效(EPFM)临界裂纹尺寸和结构失效模式的影响。案例分析结果表明,热老化增加了材料的流变应力和结构塑性极限载荷(增加了11.78%)、降低了材料韧性(裂纹扩张量为5 mm时下降了62.65%)、同样的撕裂模量下热老化后允许的J积分降低了50%以上,热老化后结构的塑性极限载荷与EPFM极限载荷之比(对应于ASME规范Ⅺ卷的Z因子)明显增大。研究结果还表明,在较大的外部载荷作用下,J-T图的驱动力曲线不再是条直线,这与诸如ASME规范Ⅺ卷的简单分析假设不一致,采用ASME规范中的简单假设可能得到非精确的结论。主管道既可能发生EPFM失效,又可能发生塑性失稳失效,发生EPFM失效对应的载荷区间更大。     

带周向裂纹管道承载能力的研究

本文通过全尺寸容器试验来研究带周向裂纹管道在内压和外弯矩同时作用下的承载能力,以得到适用于工程设计的计算方法。试验结果表明,承载能力与管道尺寸,裂纹几何及使用材料的性能有关,而表面裂纹的位置(处于内表面或外表面)对承载能力的影响甚微;在内压不太高时,其对容器抗弯矩的能力影响也较小。计算结果表明,基于理想塑性材料的韧带截面全屈服理论用于韧性较好材料制成的带周向裂纹管道失效分析结果与试验结果具有较好的一致性。     

加筋板广布疲劳损伤的剩余强度分析

给出加筋板广布疲劳损伤的两种损伤类型和两个剩余强度判据,剩余强度判据是净截面塑性区屈服判据和裂尖韧带屈服判据.给出蒙皮带有多裂纹和蒙皮带有多裂纹且桁条也带有裂纹时应力强度因子的近似工程估算方法.文中也给出加筋板含多裂纹时剩余强度净截面塑性区屈服判据和裂尖韧带屈服判据的表达式及塑性区尺寸估算方法.对三种损伤的加筋板进行剩余强度试验,指出多裂纹尤其是桁条也带裂纹时剩余强度降低较多.用上述两种判据进行加筋板广布疲劳损伤剩余强度预测,预测结果和试验结果比较符合.     

晶体塑性疲劳指示因子研究方法综述

金属材料与结构的疲劳失效被视为工程领域的“癌症”,是微观结构逐渐劣化的结果,因此从微观角度准确预测材料与结构的疲劳裂纹萌生就显得极为必要与迫切。基于晶体塑性有限元的疲劳指示因子(Fatigue indicator parameters, FIP)能从微观角度较好地表征剪应变主导的疲劳裂纹驱动力,目前已经形成了累积塑性滑移类、应变能耗散类与多轴疲劳寿命预测准则改进的FIP等。累积塑性滑移类FIP是基于位错滑移与应力集中理论所建立,多个应用案例也表明能较好地描述疲劳驻留滑移带与三叉晶界应力集中等现象,具有形式简单、参数少等优点;应变能耗散类FIP是基于能量理论,不区分载荷模式与裂纹扩展优先方向,在高应变幅或复杂载荷状况下较累积塑性滑移类FIP更可靠;多轴疲劳寿命预测准则改进的FIP主要有基于Fatemi-Socie准则、Dang Van准则与Tanaka-Mura准则等修正的FIP,虽工程应用广泛,但是由于经验模型需要大量试验确定参数且临界平面与位错滑移平面的关系不明。为此,指出研究多轴疲劳损伤的临界平面与晶体塑性的滑移平面的物理一致性、以晶粒旋转数据直接构建晶体塑性FIP模型以及采用模糊...     

内压下挤压三通的塑性极限载荷研究

报道了14个国产工业挤压三通在内压下的塑性极限载荷试验结果，其中2个为不锈钢其余12个为碳钢材料制造，8个无缺陷，6个分别含有腹部和肩部裂纹。文中首先对挤压成型三通的典型变截面尺寸特征进行了详细描述，然后研究了无缺陷和含裂纹三通的破坏过程及失效特征，总结了无缺陷三通的塑性极限载荷随结构尺寸变化的规律及裂纹对极限载荷的削弱规律。最后，利用试验结果对现有挤压三通极限载荷的估算式进行了评价。     

疲劳裂纹扩展中停留机制的考察

采用高精度局部柔度测量技术,对结构钢SM400进行两种阶梯式变载条件下的疲劳试验,考察疲劳裂纹扩展中迟滞回线的形态变化与裂纹停留的关系.基于循环载荷中柔度变化与裂纹开闭口以及裂纹尖端附近应力分布的关系,讨论不同载荷方式下裂纹停留的形成机制.结果表明,裂纹停留意味着循环加载过程中裂纹尖端既不形成拉伸塑性区,也不形成压缩塑性区.疲劳裂纹停留在最大载荷时的裂纹形态有"裂尖锐型"和"裂尖钝型".基于最大载荷和最小载荷后残留在裂纹表面的拉伸变形层确定载荷FRCPG和FRPG,能够获悉在最大和最小载荷时出现塑性区引起裂纹扩展的等价波形,可用于随机载荷波形的计数,为发展工程结构的剩余寿命预测提供一种理论依据.     

大截面热锻模的失效分析

本文介绍大截面5Cr2NiMoVSi钢制造压力机热锻模失效的过程和原因,并指出,大截面热锻模失效的主要形式为:1.热锻模型腔表面的高温和高应力的循环变化引起热磨损、热疲劳裂纹,导致工件粘模。2.热锻模在交变负荷作用下,深型槽应力集中处产生机械疲劳裂纹,从而导致锻件产生毛刺和加重粘模。3.由于热锻模块材料的热强度低,当锻压工件时,模面经受反复加热和冷却,引起模腔表面局部变形,导致锻件尺寸超差等。     

含周向面型缺陷管道的失效评定曲线

１　引言失效评定图技术理论严格,使用方便,已经广泛应用于含缺陷容器的安全评定中。由于含周向缺陷管道的承受载荷和容器有很大的不同,为将这一先进的方法引入含周向缺陷管道的安全评定技术中,有必要研究含周向缺陷管道的失效评定曲线。管道周向缺陷的型式有面型缺陷和体积型缺陷。体积型缺陷失效模式一般为塑性极限载荷控制,评定时采用塑性极限载荷评定,无需进行断裂分析。面型缺陷的失效模式可能为极限载荷控制也可能为断裂控制失效模式,采用能同时考虑这两种失效模式的失效评定图技术是非常便利的。面型缺陷可以表征为表面裂纹、…     

基于声发射技术的热障涂层拉伸失效模式研究

热障涂层是一种典型的脆性、非均质、多层结构的材料。服役过程中受热-力载荷的作用,将会导致涂层过早的剥落失效,其主要的失效形式为陶瓷层开裂和界面剥落失效。热障涂层的失效主要是微裂纹萌生、扩展及连通导致。利用声发射技术结合微观形貌观察,研究了拉伸载荷下热障涂层的失效过程,并识别热障涂层裂纹损伤模式。根据不同载荷下的微观形貌观察,研究拉伸载荷下热障涂层的失效过程;利用声发射特征参数分析法(如声发射事件数、幅值),将热障涂层的失效过程分为几个不同阶段,并结合形貌观察,建立声发射特征参数与裂纹损伤失效信息之间的联系;利用快速傅里叶变换(Fast Fourier transform,FFT)识别热障涂层的损伤模式。结果表明:热障涂层拉伸失效过程为裂纹首先在陶瓷层表面萌生,随后向陶瓷层/粘结层的界面处扩展,到达界面后,裂纹将沿着界面生长与扩展,最终导致热障涂层分层剥落;将热障涂层的失效过程分为四个阶段;频谱分析结果表明基体频率成分大约在0.020MHz,表面裂纹的频率成分在0.20～0.25MHz,界面裂纹的频率成分在0.15～0.20MHz。