基于J-A2方法的断裂韧性转化与反应堆压力容器断裂韧性预测研究

摘要

断裂力学是评估工程结构完整性一个重要依据。断裂的约束效应是指实际结构的断裂韧性，不仅与结构材料有关，还取决于试样或结构的约束水平。约束水平与试样或结构的几何尺寸（裂纹的深或浅）、加载方式（弯曲或拉伸）和裂纹的几何形状（贯穿裂纹或表面裂纹）相关。由于实际结构与实验室的标准试件约束不同，实验室测试出来的断裂韧性值不能直接用于结构的安全评估。将实验室测试的断裂韧性标准值，转换为能用于实际结构（如反应堆压力容器）的评估值具有非常重要的实际意义。本文基于目前发展比较成熟的弹塑性断裂力学中的J-A2双参数方法，主要研究断裂力学中以下问题并相继得出对应的结论：
　　⑴基于J-A2方法研究不同约束水平下的断裂韧性转化。建立了不同约束水平下基于J-A2方法的断裂韧性转化公式。首先，通过CTOD试验测试裂纹深宽比为a/W=0.25（浅裂纹）、a/W=0.50（深裂纹）和a/W=0.75（更深裂纹）三点弯曲试样的断裂韧性，将CTOD测试值转化为J积分值；然后，建立了相应裂纹尺寸三点弯曲的三维有限元模型，计算获得裂纹尖端的应力场与J积分值，有限元计算结果与试验值吻合良好，验证了有限元模型的精确性。最后，基于J-A2方法断裂韧性转化公式对不同约束水平（深裂纹和浅裂纹三点弯曲）试样断裂韧性值进行转化，断裂韧性转化值与试验测量值误差较小，验证了J-A2方法转化断裂韧性的可行性。
　　⑵基于J-A2方法量化反应堆压力容器在双轴加载下的约束水平。建立了双轴加载下的反应堆压力容器有限元三维模型，计算了不同双轴载荷下试样的约束参数A2，通过约束参数A2对反应堆压力容器约束水平进行量化。
　　⑶基于J-A2方法预测反应堆压力容器在双轴加载下的断裂韧性。综合A533B材料的断裂韧性试验数值和含半椭圆表面裂纹反应堆压力容器模型有限元数值分析结果，结合J-A2理论，绘制A533B的“材料失效曲线”和含半椭圆表面裂纹反应堆压力容器的“裂纹驱动力曲线”，预测了含半椭圆表面裂纹反应堆压力容器实际结构在双轴加载下的断裂韧性值。

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第一章 绪 论

1.1 断裂力学约束效应的发展

1.2反应堆压力容器断裂力学的研究意义与研究现状

1.3断裂韧性的转化问题

1.4本课题的研究内容

1.5本课题的研究方法

第二章 基于约束效应的J-A2方法与断裂韧性转化方法

2.1线弹性断裂力学

2.2弹塑性断裂力学

2.3断裂韧性的转化

2.4反应堆压力容器实际结构断裂韧性预测

2.4本章小结

第三章 深裂纹和浅裂纹试样的断裂韧性测试

3.1试验材料与试验方法

3.2力学拉伸试验

3.3 CTOD断裂韧性测试试验

3.4本章小结

第四章 深裂纹和浅裂纹试样的断裂韧性转化

4.1断裂韧性转化方法

4.2 深裂纹和浅裂纹三点弯曲试样的数值分析

4.3基于J-A2方法转化深裂纹和浅裂纹试样的断裂韧性

4.4本章小结

第五章 基于J-A2方法预测反应堆压力容器结构断裂韧性

5.1 核反应堆核压力容器用钢阐述

5.2考虑约束效应预测反应堆压力容器的断裂韧性基本路线

5.3 制定反应堆压力容器用钢A533B材料的失效曲线

5.4 半椭圆表面裂纹反应堆压力容器三维有限元模型

5.5有限元计算结果与分析

5.6绘制裂纹驱动力曲线

5.7预测含半椭圆表面裂纹RPV模型的断裂韧性

5.8 A533B钢断裂韧性预测值与ASME断裂韧性标准值分析

5.9本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢