残余应力对压力容器破坏模式的影响分析

摘要

在压力容器的设计及安全性评价中，先漏后爆(LBB)是一个十分重要的设计准则。所谓先漏后爆(LBB)是指容器在发生整体破坏前，表面裂纹穿透壁厚，所容流体发生泄漏的破坏方式，以避免由于快速整体破坏引起的灾难性事故。必须通过详细的表面裂纹扩展过程模拟，才能判断是否符合LBB设计要求。表面裂纹准静态扩展的几何形貌变化规律的预测，是先漏后爆(LBB)评判十分重要的课题之一。工程中可以用应力强度因子的变化，来模拟裂纹扩展的模式，目前已有文献研究了外载作用下的表面裂纹扩展形式。但是，压力容器中必然存在制造过程中引起的残余应力，仅考虑外载作用时满足LBB要求的结构，在残余应力的影响下会变得不满足。本文对特定焊接残余应力场加载作用下含三维表面裂纹的压力容器模型，用有限元软件(ABAQUS)进行了表面裂纹准静态扩展模拟计算，引入了比因子概念来判别裂纹扩展形貌的新方法，得到如下结论： 1)残余应力起到了遏止表面裂纹厚度方向的扩展的作用，使得表面裂纹变得十分细长，容易导致爆破性破坏。因此在LBB设计中，必须考虑残余应力的作用；2)表面裂纹的形状不能是随意的，正确的形状是裂尖前缘各点处于相同的扩展状态；3)表面附近的应力强度因子与厚度方向上的应力强度因子的比值，是随长短轴比变化的，真实的表面裂纹形状，决定于该比值取合适的值。本文提出的裂纹扩展形貌模拟方法，可以应用于外载和残余应力同时作用的情况，在得到总的应力强度因子的分布后，根据比因子判别裂纹的扩展形貌，并判断结构是否满足LBB设计要求。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 先漏后爆（LBB）准则的研究

1.3 表面裂纹的准静态扩展分析

1.4 本文研究主要内容

第二章 断裂力学中理论中的裂纹及应力强度因子

2.1 断裂力学的研究对象

2.2 裂纹类型

2.3 张开型裂纹尖端附近的应力和位移

2.4 应力强度因子

2.4.1 细长尖缺口顶端附近的应力分布

2.4.2 应力集中与应力强度因子的关系

2.4.3 椭圆表面裂纹的应力强度因子

2.5 脆性断裂的K 准则

2.5.1 能量释放率与G 准则

2.5.2 应力强度因子与应变能释放率的关系

2.5.3 脆性断裂的K 准则

2.6 应力强度因子的计算

第三章 残余应力作用下的表面裂纹扩展的数值模拟

3.1 焊接残余应力场

3.2 有限元分析

3.2.1 几何建模

3.2.2 网格划分

3.2.3 约束条件及载荷

3.3 表面裂纹扩展形式的模拟方法

3.4 分析与模拟结果

3.4.1 应力强度因子沿裂纹前缘的分布

3.4.2 椭圆形表面裂纹准静态扩展形貌

3.5 结论

第四章 外载和残余应力共同作用下的表面裂纹扩展的数值模拟

4.1 核反应堆压力容器受到的典型压力

4.1.1 薄壁圆筒的受力分析

4.1.2 应力的计算

4.2 有限元分析

4.2.1 几何建模和网格划分

4.2.2 约束条件及载荷

4.3 分析与模拟结果

4.3.1 应力强度因子沿裂纹前缘的分布

4.3.2 椭圆形表面裂纹准静态扩展形貌

4.4 结论

第五章 结论与展望

5.1 本文结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表(或录用)的学术论文