高温焊接结构稳态蠕变变形速率的研究

摘要

在石油化工、能源冶金等典型过程工业的关键技术装备中大量存在着高温环境下服役的设备与管道。蠕变失效是这些高温设备与管道的主要失效形式之一，是危害设备长周期安全运行的主要因素。因此，对高温焊接结构蠕变规律的研究，是高温结构强度设计与寿命预测的重要基础，不仅具有重要的理论研究价值而且具有重要的工程应用价值。本文针对高温结构中不匹配焊接接头的蠕变速率问题，通过对稳态蠕变条件下多种简单构件的蠕变变形速率计算公式的推导，给出了静定结构和非静定结构蠕变变形速率的通用计算式，并通过紧凑拉伸试样的有限元分析计算考察了通用公式的适用性，为非均质材料焊接结构蠕变断裂控制参量C<'*>的理论计算奠定了理论基础。取得的研究成果如下： (1)分析讨论了高温下焊接接头的特性及其蠕变失效的基本类型，阐述了焊接结构的高温蠕变机理和蠕变过程的三个阶段；描述了焊接结构高温蠕变本构方程及稳态蠕变阶段用以表征蠕变裂纹扩展的断裂力学控制参量C<'*>。 (2)首次推导了稳态蠕变条件下单一材料或多种材料构成的典型静定结构，如简单拉伸条件下杆状结构的加载线位移速率、纯弯曲加载条件下悬臂梁的挠度变形速率、纯扭转条件下的圆形杆状结构的扭转变形速率等结构蠕变变形速率的计算式。在此基础上，给出了稳态蠕变条件下静定结构蠕变变形速率的通用计算式。 (3)通过对典型静不定结构在稳态蠕变条件下的蠕变变形速率，如简单拉伸加载条件下二力杆结构的蠕变变形速率、纯弯曲加载条件下多种材料层叠梁的蠕变曲率变化速率、受内压作用的多层厚壁圆筒的径向蠕变变形速率等的计算，给出了多种材料静不定结构的稳态蠕变变形速率计算的通用计算式。 (4)针对广泛应用于实际工程中的紧凑拉伸试样(CT)，利用ABAQUS结构有限元分析软件，对两种材料构成的CT试样和三种材料的内压厚壁主蒸汽管线焊接接头进行了稳态蠕变的有限元分析计算，结果表明：作为一种典型的非均质材料的静定结构和静不定结构，蠕变变形速率的有限元计算结果与静定结构和静不定结构通用公式计算所得的结果吻合很好，以此验证了通用公式的适用性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号对照表

声明

第1章绪论

1.1课题的研究背景

1.2焊接接头高温蠕变特性

1.2.1焊接接头的特性

1.2.2高温下焊接接头失效的基本类型

1.3本文研究思路和主要内容

1.3.1本文研究思路

1.3.2主要研究内容

第2章蠕变力学基础与蠕变裂纹扩展控制参量

2.1引言

2.2蠕变及蠕变破坏的机制

2.3蠕变全过程的描述

2.4蠕变的本构方程

2.5蠕变裂纹扩展控制参量

2.6本章小结

第3章静定结构的稳态蠕变分析

3.1引言

3.2简单拉伸加载条件下的受力构件

3.2.1二杆静定结构的蠕变加载线位移速率

3.2.2三杆结构的蠕变加载线位移速率

3.3纯弯曲加载条件下的悬臂梁

3.3.1单一材料的悬臂梁结构

3.2.2两种材料的悬臂梁结构

3.4受纯扭转的圆形杆状结构

3.4.1单一材料的圆形杆状结构

3.4.2两种材料的圆形杆状结构

3.5扭转加载条件下的厚壁圆筒

3.6静定结构的蠕变变形速率的通用表达式

3.7本章小结

第4章静不定结构的稳态蠕变分析

4.1引言

4.2简单拉伸加载条件下的二力杆结构

4.3纯弯曲加载条件下的层叠梁

4.3.1两种材料的层叠梁

4.3.2三种材料的层叠梁

4.3受内压作用的多层厚壁圆筒

4.4静不定结构的蠕变变形速率的一般表达式

4.5本章小结

第5章高温紧凑拉伸试样的有限元计算

5.1引言

5.2 ABAQUS有限元分析软件

5.2.1 ABAQUS软件简介

5.2.2 ABAQUS主要模块

5.2.3 ABAQUS有限元模拟流程

5.3非均质材料紧凑拉伸试样(CT)的有限元分析

5.3.1 CT试样加载线位移率的计算公式

5.3.2 CT试样有限元模型的建立与网格划分

5.3.3有限元计算结果及影响因素分析

5.3.4裂纹尺寸a/w对g(n,dim)的影响

5.3.5通用公式的适用性考察

5.4典型焊接接头的蠕变变形分析

5.5本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果