焊接接头延性损伤与断裂的数值模拟与分析

焊接接头延性损伤与断裂的数值模拟与分析目录第一章绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 理论基础及研究现状 (2)1.2.1 延性损伤力学的发展 (2)1.2.2 细观损伤力学的现状 (3)1.2.3 延性裂纹扩展模拟研究现状 (5)1.3 本文研究内容 (8)第二章30Cr2Ni4MoV转子钢焊接接头GTN模型材料参数的确定 (9)2.1 引言 (9)2.2 实验方法 (9)2.3 有限元计算模型 (11)2.4 GTN模型参数的确定 (12)2.5 结果分析 (15)2.6 小结 (17)第三章裂纹位置对焊接接头延性裂纹起裂和扩展的影响 (18)3.1 概述 (18)3.2 有限元计算模型 (18)3.3 有限元计算结果及讨论 (19)3.3.1 模拟的载荷位移曲线和J阻力曲线 (19)3.3.2 延性裂纹起裂和扩展的力学分析 (21)3.3.3 延性裂纹扩展路径 (26)3.4 结论 (28)第四章裂尖局部残余应力对焊接接头延性裂纹起裂和扩展的影响 (29)4.1 概述 (29)4.2 有限元模型 (30)4.3 残余应力分布 (31)4.3.1 母材、焊缝、热影响区中裂尖残余压应力分布 (31)4.3.2 界面处残余压应力分布 (33)4.3.3 裂尖残余拉应力分布 (33)4.4 裂尖局部残余应力对载荷位移曲线和J阻力曲线的影响 (35)4.4.1 局部残余压应力对载荷位移曲线和J阻力曲线的影响 (35)4.4.2 残余拉应力对载荷位移曲线的影响 (38)4.5 残余应力对应力、应变及损伤场的影响 (39)4.5.1 母材裂尖局部残余压应力对裂尖前应力、应变、损伤场的影响 (39)4.5.2 焊缝裂尖残余压应力对应力、应变、损伤场的影响 (43)4.5.3裂尖残余压应力对焊缝和热影响区界面材料裂尖应力、应变、损伤场的影响 (46)4.5.4母材裂尖局部残余拉应力对裂尖前应力、应变、损伤场的影响 (49)4.6 小结 (52)第五章残余应力对三维延性裂纹起裂和扩展的影响 (53)5.1 概述 (53)5.2 有限元模型 (54)5.3 残余应力分布 (55)5.4 残余应力对载荷位移曲线和J阻力曲线的影响 (58)5.5 残余应力对裂纹扩展路径的影响 (60)5.6 残余应力对应力、应变、损伤场的影响 (61)5.7 小结 (65)第六章总结 (67)第一章绪论1.1 研究背景长期以来，工程材料与结构的广泛使用，使人类面临着大量的机遇和挑战。

金属材料的广泛应用，大型工程建筑和结构的不断涌现，破坏性事故的数量也直线上升。

据统计，由于机件、构件的断裂、疲劳、腐蚀、磨损破坏，每年造成巨大的经济损失，占美、日、欧洲共同体等国每年国民生产总值的6％－8％。

据我国劳动部统计，我国在80年代发生的锅炉和压力容器的爆炸事故约五千起，人员累计伤亡近万人，居国内劳动安全事故的第二位1。

我国锅炉和压力容器的爆炸事故比工业化先进国家高十倍，其中恶性重大事故比工业化先进国家高一百倍，其中很多都是由于焊接结构中的缺陷引起的断裂造成的。

虽然，对个别缺陷的断裂估计，已经没有什么困难。

而以夹杂物或者微观与宏观的孔洞形式出现的缺陷却不是很容易分析出，而这些缺陷往往存在于焊接结构中，并对结构完整性产生很大影响2。

焊接缺陷是造成锅炉、压力容器等失效和事故的主要原因，因此，必须对焊接缺陷的危害有充分的认识。

气孔，夹渣等体积性缺陷的危害性主要表现为降低焊接接头的承载能力。

如果气孔穿透焊缝的表面，介质积存在孔穴内，当介质有腐蚀性时，将形成集中腐蚀，孔穴逐渐变深、变大，以至腐蚀穿孔而泄露。

夹渣边缘如果有尖锐形状，还会在该处形成应力集中。

裂纹被认为是最危险的焊接缺陷，一般标准中都不允许它存在。

诸多缺陷中，裂纹是最尖锐的一种缺口，它的缺口根部曲率半径接近于零，尖锐根部有明显的应力集中，当应力水平超过尖锐根部的强度极限时，裂纹就会扩展，以至贯穿整个截面而造成焊接结构的失效。

特别是当焊接接头处于脆性状态时，裂纹的扩展速度极快，造成脆性破裂事故。

裂纹还会加剧疲劳破坏和应力腐蚀破坏。

虽然在焊接结构中容易产生缺陷，但焊接仍是材料与结构重要的加工制造工艺。

现代焊接结构正在向大型化和高参数方向发展，工作条件越来越苛刻，要求越来越严格。

这是因为焊接结构具有一系列优点，使得各类焊接结构往往成为重要的大型成套设备中的关键部件，如汽轮机转子。

传统的整体锻制的转子制造需要大功率的锻造设备，制造工艺复杂，生产周期长；对于机械性能要求不同的高压段和低压段均用优质的耐高温钢一体化制造，材料浪费大，转子不同部分要求的性能不能完全满足；且整体锻制的转子基本是一密实结构，大而重，启动时转子内外温差大，产生的热应力高，不能快速启动操作。

因此用焊接方法制造转子的技术得到发展。

与此同时，对焊接结构的整体性能带来了很大的考验。

由于对结构细微缺陷（损伤）的忽视以及错误的预测，容易造成材料的失效和结构的整体破坏，同时带来无法弥补的损失。

因此，对焊接接头损伤断裂的分析尤为重要。

许多钢结构工作在常温或较高温度下，延性损伤与断裂是其主要的破坏模式。

因此延性裂纹的起裂和扩展在材料和结构的断裂分析中起重要作用。

裂纹扩展降低了结构的承载能力，改变了裂尖局部应力应变场，可能促使韧脆转变断裂。

焊接是通过熔化技术进行连接的工艺过程，不可避免的在焊接（连接）接头存在化学成分，组织结构和力学性能的不均匀性及残余应力，并在几何上不连续，容易产生各种冶金缺陷（裂纹，气孔，夹杂，未焊透等），是结构发生破坏的薄弱环节。

焊接结构的完整性取决于焊接接头的断裂力学性能和断裂行为。

目前的设计评定标准对于接头强度失配的处理过于简单。

由于接头组织和力学性能的不均匀，局部的强度失配, 材料拘束可能引起早期的延性裂纹起裂和扩展并转变为失稳断裂。

另外接头延性裂纹的起裂和扩展的阻力曲线，裂纹扩展的路径等受结构几何，强度失配, 及局部材料性能的影响。

而基于宏观断裂力学的焊接结构完整性评定方法，如K1c,COD,J1c等，其局限性是不能准确预测损伤-断裂的尺寸效应，即存在实验室小试样的材料力学参数测定结果难以准确移植到大的工程结构的问题。

并且以前的焊接力学主要通过实验或简单的理论公式进行定性研究，而随着计算机的高速发展以及有限元法的应用为模拟其中的力学现象提供了可能性。

1971年，Y. Ueda 和T. Yamakawa等将有限元应用于平板对接焊接过程中力学现象的分析3，取得一定成果。

此后，大量学者开始通过计算机模拟方法来预测焊接变形和残余应力，以及三维残余应力的分布，进行焊接结构的力学分析4。

在80年代后期，开始发展损伤断裂分析与评定的局部法（Local approach）。

对于延性损伤断裂，基于微孔洞形核，长大和聚合机理的GTN模型是目前国际上发展比较成熟的局部法模型。

该模型与有限元计算相结合可望模拟研究焊接接头中延性裂纹的起裂和扩展问题，实现不同材料和几何尺寸焊接接头试样/结构的延性损伤和断裂行为的准确预测。

本课题以汽轮机转子材料30Cr2Ni4MoV的焊接接头为研究对象，进行GTN局部法模型在焊接接头中的应用基础研究，研究焊接接头延性裂纹起裂和扩展的机理和规律，进而对焊接接头的J-R阻力曲线进行模拟预测。

其结果对于含焊接接头的压力容器、管道、转子的延性断裂的分析与评定，减少材料与结构失效事故的发生具有重要的理论和实际意义。

1.2 理论基础及研究现状1.2.1 延性损伤力学的发展20世纪中叶Kachanov5（1958）在研究金属蠕变断裂过程中，最初提出了用连续性变量描述材料受损的连续性能变化过程，引入了“连续性因子”和“有效应力”的概念来描述低应力脆性蠕变损伤。

他的学生Robotnov6后来在1963年进一步提出了损伤因子的概念，在这些概念的基础上，他们采用连续介质力学的唯像方法来研究材料的蠕变损伤破坏过程，为损伤力学的奠定了基础。

虽然从金属物理学的角度来看，这些研究没有严格地蠕变破坏的机制，但用宏观唯象学方法导出的蠕变寿命公式仍能有效的应用于工程实际。

但在此后的十年中，这个概念无人问津，直到70年代后期，由于核电站、能源工业、航天航空技术等领域遇到了一些新问题，使得材料损伤的研究受到了更多学者的重视。

1971年法国学者Lemaitre7用连续介质力学与热力学的观点研究了损伤对金属材料的弹性、塑性的影响；随后英国学者Leckie 8和瑞典学者Hult 9研究了损伤和蠕变的耦合作用，在蠕变的研究中将损伤理论的研究向前推进了一步。

这一阶段损伤力学的发展形成了连续损伤力学的框架和唯象学基础。

80年代日本的Murakami(村上澄男)等从微裂纹的尺度和几何分布方面研究了损伤的各向异性及其对材料的力学性能的影响。

经过这段时间发展，损伤因子进一步推广为一种常变量，逐步形成了“连续介质损伤力学”这门新的学科。

1980年5月，国际理论与应用力学联合会（INTAM ）在美国Cincinnati 举办“有关损伤与寿命预测的连续介质方法”研讨班。

力学、材料科学和工程等一些国际著名期刊杂志也发表了许多有关损伤力学的研究报道。

损伤力学在工程实际中成功的得到应用，解决了一系列工程问题，诸如核电站管接头的低周疲劳、飞机涡轮发动片和轮盘的蠕变疲劳，混凝土梁的断裂、金属塑性成形及复合材料压力容器损伤检测等一系列工程问题。

到了八十年代，损伤力学研究的重点是损伤的宏细微观理论，其主要特征是：引入多层次的缺陷几何结构，在材料的宏观体元中引入细观或微观的缺陷结构，试图在材料细观结构的演化与宏观力学响应之间建立起某种联系，对材料的本构行为进行宏、细、微观相结合的描述。

这种研究正在成为追踪材料从变形、损伤到失稳或破坏的全过程，以解决这一固体力学最本质难题的主要途径10。

1.2.2 细观损伤力学的现状对金属材料的延性断裂研究，已发现其延性损伤和断裂包括同时发生并相互作用的三个阶段11：(1): 第二相处的孔洞形核材料中的微孔洞在第二相处通过第二相微粒与基体界面的剥离和微粒破碎两种方式形核。

形核方式的不同依赖于相关颗粒的力学性质和界面边界性质。

微粒的剥离与破碎在整个损伤过程中的相对分布取决于应力状态和温度。

损伤的各向异性很大程度取决于试样的变形路径和应力状态，在单轴拉伸下，微粒破碎几乎是垂直于加载方向，而在单轴压缩下，它们平行于加载反方向，在扭转及缺口拉伸实验试样中，微粒破碎没有呈现明显的优先方向。

(2): 孔洞长大形核后，孔洞将生长为一个特有的体积和形状，材料中的三向应力度及等效塑性应变强烈影响孔洞的生长。

目前比较受大家认可的描述孔洞长大的模型为：a. 考虑材料行为和孔洞体积分数相互作用的模型Gurson 12及Needleman 、Tverguard 13 (GTN 模型）以孔洞体积分数为损伤变量，预测其对宏观材料行为的影响，其方程为：本构方程),(.f F p σε= (1-1)演化方程nucleationgrowth f f f )()(...+= (1-2) ..)1()(iigrowth f f ε-= (1-3)...3)(ii s nucleation B A f σσ+=(1-4) 屈服函数的上界2⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=s eq p F σσ0123cosh 22=--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+f f s m σσ (1-5)b. 忽略塑性变形时生长的孔洞之间的相互影响① McClintock 孔洞生长模型。