基于塑性强化效应的典型材料极限承载能力分析

摘要

本研究来源于“十一五”国家科技支撑计划课题“大型高参数高危险性成套装置长周期运行安全保障关键技术研究及工程示范”。针对承压结构的塑性跨塌失效和局部失效，考虑金属材料应变强化效应，分析典型承压结构的最大及许用载荷，为在役承压设备承载能力挖潜，延长承压设备的安全使用寿命，节约能源。 本研究从塑性理论出发，运用试验手段和有限元方法对材料力学性能和本构关系进行分析研究，主要解决了三方面的问题：其一是典型材料的本构关系，采用实芯圆棒大变形扭转及拉伸试验获得材料的本构关系，并从理论上解决了扭转大变形的应力计算问题，给出了特种设备常用的三类材料(低合金钢、低碳钢、不锈钢)大变形扭转本构关系的数学模型及公式适用范围。其二是多向应力状态下，典型材料本构关系数学模型的建立、不同应力状态对本构关系的影响程度分析。采用不同的拉伸、扭转应力比例，对实心圆棒试件进行拉扭组合试验，根据全量理论得到了三种材料的等效应力应变σ-ε数学关系；并对拉扭应力状态下材料本构关系进行对比分析、屈服准则验证及后继屈服的探索研究，得到了材料最大等效应变(εmax)与应力状态表征参数三轴应力度TS值的数学模型(ε-TS)。其三是在不同应力状态(TS值)下，典型结构发生局部破坏的微观特征分析及定量化的局部应变控制准则适应性的试验验证。通过对带缺陷结构进行有限元计算分析和微观金相试验验证，从宏观和微观角度找出材料应变强化和结构许用载荷之间的关系。进一步验证了ASME局部应变失效控制条件的工程适应性。 研究结果表明：①与传统单向拉伸测试材料本构关系的方法相比，实芯圆棒在扭转试验中得到的等效应力．应变本构关系适用范围更大，其数学模型可涵盖拉伸真应力应变(适用范围内)结果；②拉伸扭转二向应力联合作用下，材料的破坏形式及本构关系与三轴应力度TS有关，在先拉后扭的加载路径下，随着TS值增大，材料的塑性变形能力降低。在主应力空间中，屈服时全部实验数据点基本落在Mises轨迹上，强化时，等效应变在15-20％以内，试验点与Mises后继屈服轨迹基本吻合，在该塑性变形阶段具有等向强化模式。当等效应变大于20％以后，试验点偏离Mises后继屈服轨迹，TS值越大，偏移量越大；③应力状态(TS值)对材料的塑性变形有影响，但影响程度依不同材料有很大差异。拉伸、扭转及拉扭联合作用的综合试验结果表明：低合金钢(16MnR)的塑性变形能力对TS值非常敏感，拉伸与扭转实验的最大等效应变相差1000％，不锈钢(304)类则对TS值不敏感，拉伸与扭转仅相差25％；④按照ASME应变控制准则计算得到的结构破坏载荷与试验结果吻合较好，16MnR材料在缺陷半径为0．06mm及5mm时，误差仅为1％及3％。结构局部应力集中部位的破坏与材料的最大允许应变有关，其局部应变控制破坏方式或整体失稳破坏方式的决定，受应力状态的影响。⑤三种材料冲击吸收功均随材料塑性变形的增加成不同指数降低，其规律因材料而异。Q235材料有预应变状态下基本不具备抗冲击能力，故不适于在塑性状态下工作。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1大变形本构关系的研究及其发展现状

1.2.2塑性极限分析的发展及现状

1.3研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2主要的试验工作

1.3.3研究思路

1.3.4文章结构

第2章典型压力容器材料本构关系研究

2.1拉伸过程真应力—应变曲线的本构关系

2.1.1材料工程应力应变至真应力应变的转换方法

2.1.2对试验结果的分析讨论

2.1.3典型材料拉伸塑性阶段真应力—应变关系数学表达式

2.2扭转过程中剪切应力应变关系的研究

2.2.1圆轴扭转过程中材料剪切真应力应变的表示方法

2.2.2实心圆轴扭转实验研究

2.2.3对试验结果的分析讨论

2.2.4材料塑性阶段的剪应力—剪应变本构关系的数学表达

2.3实心圆轴拉伸与扭转时的等效应力应变表示

2.3.1等效应力

2.3.2典型材料拉伸扭转等效应力应变关系曲线及数学模型

2.4典型材料真应力应变曲线的工程表示方法

2.4.1工程应力与真应力

2.4.2拉伸与扭转的真应力应变关系

2.4.3典型材料真应力应变本构关系的数学表征

2.4.4三类材料的工程应用特点

2.5本章小结

第3章二向应力状态对材料本构和塑性变形的影响

3.1主要研究内容和思路

3.2拉伸扭转联合作用下的应力应变关系

3.2.1试样在拉扭联合作用下的应力状态

3.2.2拉扭联合作用下的应力应变计算

3.3拉伸扭转实验

3.3.1试样设计

3.3.2实验方案

3.3.3试验设备及试验方法

3.3.4试验结果

3.4讨论分析

3.4.1拉扭联合作用时不同拉应力下的剪应力-剪应变关系

3.4.2拉扭联合作用时材料的等效应力应变关系

3.4.3应力状态对材料塑性变形的影响

3.4.4拉扭实验结果的可靠性分析

3.5典型材料屈服准则及后继屈服轨迹的研究

3.5.1典型材料屈服准则的实验验证

3.5.2典型材料后继屈服轨迹的试验研究

3.6本章小结

第4章应变控制准则的有限元分析及试验验证

4.1主要研究内容和思路

4.2有限元计算及结果分析

4.2.1试件形式

4.2.2试件材料

4.2.3有限元模型

4.2.4分析讨论

4.3试验

4.3.1试件设计

4.3.2试验设备

4.3.3试验步骤

4.3.4试验结果

4.4分析讨论

4.4.1宏观检验结果分析

4.4.2微观金相观察结果分析

4.4.3整体解、局部解以及应变控制准则适应性的讨论分析

4.5本章小结

第5章预应变冲击试验研究

5.1主要研究内容及完成的主要工作

5.2试验原理及方法

5.2.1试验原理

5.2.2试验执行标准

5.2.3试验设备

5.2.4试样尺寸及类型

5.2.5试验方法

5.3试验结果及讨论

5.3.1 16MnR材料

5.3.2 Q235材料

5.3.3 304不锈钢

5.4三类材料预应变冲击结果讨论

5.4.1三类材料冲击功与预应变的关系

5.4.2三类材料冲击功与预应变的数学模型

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢