（固体力学专业论文）基于塑性强化效应的典型材料极限承载能力分析.pdf

摘要 摘要 课题来源于“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万一手数学 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( 瓦。，) 与应力状态表征参数三轴应力 度t s 值的数学模型( 瓦。一瑙) 。 其三是在不同应力状态( t s 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a s m e 局部应变失效控制条件的工程适应性。 结果表明： 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；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t s 有关，在先拉后扭的加载路径下，随着t s 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m i s e s 轨迹上，强化时，等效应变在1 5 2 0 以内，试验点与m i s e s 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2 0 以后，试验点偏 离m i s e s 后继屈服轨迹，t s 值越大，偏移量越大；应力状态( t s 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( 1 6 m n r ) 的塑性变形能力对t s 值非常敏 感，拉伸与扭转实验的最大等效应变相差1 0 0 0 ，不锈钢( 3 0 钔类则对t s 值不敏 感，拉伸与扭转仅相差2 5 ；按照a s m e 应变控制准则计算得到的结构破坏 摘要 载荷与试验结果吻合较好，1 6 m n r 材料在缺陷半径为0 0 6 m m 及5 m m 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。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。 q 2 3 5 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。 关键词本构关系塑性变形二向应力三轴应力度有限元 a b s t r a c t a b s t r c t t h es u b j e c ta t t a c h e st ot h e ”e l e v e n t hf i v e - y e a r ”p l a nt os u p p o r tn a t i o n a ls c i e n c e a n dt e c h n o l o g yi s s u e s ，”k e ys e c u r i t yt e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e m o n s t r a t i o np r o j e c t o fc o m p l e t ee q u i p m e n t sb a s e do nl a r g e - s c a l eh i g hp a r a m e t e r sa n dh i g h r i s ki n l o n g t e r mr u n n i n g ”a i m i n ga tp l a s t i cc o l l a p s ef a i l u r ea n dl o c a lf a i l u r eo fb e a r i n g s t m c t u r e 。s t r a i n h a r d e n i n g e f f e c to fm e t a l l i cm a t e r i a l si sc o n s i d e r e d ，a n dt h e m a x i m u ma n da l l o w a b l el o a d sa r ea n a l y z e d i no r d e rt oe x t e n dt h es a f el i f eo f p r e s s u r ee q u i p m e n ta n ds a v ee n e r g y , t h ep o t e n t i a lc a r r y i n g c a p a c i t yo fp r e s s u r e e q u i p m e n ti ns e r v i c en e e dt ob ee x c a v a t e d 1 1 1 er e s e a r c h i nw h i c ht e s tm e t h o da n df e ma r eu s e dt oa n a l y z et h em e c h a n i c a l p r o p e r t ya n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o no ft y p i c a lm a t e r i a l s ，s t a r t sf r o mp l a s t i c i t yt h e o r y , a n dt h r e em a j o rp r o b l e m sa r es o l v e d ： f i r s to fa l l ，i nt h i sa r t i c l e ，t h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o ni so b t a i n e df r o mt h e e x p e r i m e n t a lo fl a r g ed e f o r m a t i o nt o r s i o no fs o l i dr o d sa n du n i d i r e c t i o n a lt e n s i o n ，a n d t h ep r o b l e ma b o u ts t r e s sc a l c u l a t i o no fl a r g ed e f o r m a t i o nt o r s i o ni sf i g u r eo u ti nt e r m s o ft l l e o r y t a k i n gl o wa l l o ys t e e l16 m i 瓜，m i l ds t e e lq 2 3 5a n da u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l 3 0 4f o re x a m p l e ，n o to n l yt h em a t h e m a t i cm o d e lo fc o n s t i t u t i v er e l a t i o n ，b u ta l s ot h e s c o p eo f t h ef o r m u l aa d a p t e di sg i v e n s e c o n d t h ee q u i v a l e n tc o n s t i t u t i v eo ft y p i c a lm a t e r i a li nam u l t i s t a t es t r e s si s e s t a b l i s h e d a n dt h ee f f e c to fs t r e s ss t a t ei sa n a l y z e d t h em e t h o di st h a ta c c o r d i n gt o t o t a ls t r a i nt h e o r y , c o m b i n a t o r i a lt e s t so ft o r s i o na n dt e n s i o n ，i nv a r y i n gp r o p o r t i o n s ， a r ec a r r i e do u tt oa t t a i nt h ee q u i v a l e n tc o n s t i t u r i v em a t h e m a t i cm o d e l 万一云a n dt h e r e s u l t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e dt of i n dt h er u l eo fe 虢c to fs t r e s ss t a t e t h e ny i e l d c r i t e r i o ni sv a l i d a t e da n ds u b s e q u e n ty i e l di ss t u d i e d ，f r o mt h i sw o r k ，t h er e l a t i o n b e t w e e nm a x i m a le q u i v a l e n ts t r a i na n dt r i a x i a ls t r e s sc o g f f i c i e n tw h i c hi sa c h a r a c t e r i z a t i o no fs t r e s ss t a t ei sc h a n g e di n t om a t h e m a t i cm o d e lk 一嬲 f i n a l l y , i nam u l t i s t a t es t r e s s ，t h ef e m i sa p p l i e dt oc a l c u l a t el i m i tl o a do f t y p i c a ls t l l 】c t l l r ea c c o r d i n gt os t r a i nc o n t r o lc r i t e r i o n ，m e a n w h i l et h em i c r o s c o p i cf e a t u r e i so b s e r v e dt or e p r e s e n tt h el i m i tl o a d 。t h em e t h o do fc o m b i n i n gm a c r o s c o p i cc a l c u l a t i o na n d m i c r o s c o p i ct e s t i sf i r s tu s e dt of i n dt h er e l a t i o nb e t w e e ns t r a i n h a r d e n i n go fm a t e r i a la n d a l l o w a b l el o a do fs t r u c t u r e ，f u r t h e rm o r e ，p r o j e c t sa d a p t a t i o no fa s m el o c a ls t r a i nf a i l u r ec o n t r o l f a c t o r si sv a l i d a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ： c o m p a r i n gw i t h t h eu n i d i r e c t i o n a lt e n s i o nc o n s t i t u t i v e r e l a t i o n ，l a r g e d e f o r m a t i o nt o r s i o ne q u i v a l e n tc o n s t i t u t i v ee x t e n dt oag r e a t e rs c o p e ，a n dt h e yt a l l y 研t he a c ho t h e rv e r yw e l l u n d e rt h ec o m b i n e de 脏c t so ft o r s i o na n dt e n s i o n ， m o d e so fm a t e r i a lf a i l u r ea n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o na r ea s s o c i a t ew i t ht r i a x i a ls t r e s s c o e f f i c i e n t ，f o re x a m p l e ，i nt h el o a d i n gw a yo ff i r s tt e n s i o na n dt h e nt o r s i o n ，t h e l a b s t r a c t p l a s t i cd e f o r m a t i o nc a p a c i t yo fm a t e r i a lc u td o w na l o n g 、析mt h ei n c r e a s eo ft r i a x i a l s t r e s sc o e f f i c i e n t i np r i n c i p a ls t r e s ss p a c e ，a l lt h et e s tp o i n t sf a l lo v e rm i s e sy i e l d l o c u s ，w h e ns t r a i ni ss t r e n g t h e nb e t w e e n15 a n d2 0 ，t e s tp o i n t sa l m o s tt a l l y 奶t l l s u b s e q u e n ty i e l dl o c u s ，b u tt l l e yd e v i a t ea r e r2 0 ，t h eg r e a t e rt h et r i a x i a l s t r e s s c o e f f i c i e n t , t h ef u r t h e rt h et e s tp o i n t sd e v i a t e p l a s t i cd e f o r m a t i o ni sg r e a t l y e r i e c t e db ys t r e s ss t a t e a n dt h ei n c i d e n c ec h a n g e sw i t hd i f f e r e n tm a t e r i a l s t e s tr e s u l t s d e m o n s t r a t et h a t ：p l a s t i cd e f o r m a t i o nc a p a c i t yo fl o wa l l o ys t e e l ( 16 m n r ) i ss e n s i t i v e t ot r i a x i a ls t r e s sc o e f f i c i e n t ，a n dt h ef a l lo fm a x i m a le q u i v a l e n ts t r a i nc a nb e10 0 0 ； b u ta u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l3 0 4r e v e r s e s ，o n l y2 5 t e s tr e s u l t sc o i n c i d ew e l l 、i mf e mr e s u l t sc a l c u l a t e do nt h eb a s i so fa s m el o c a ls t r a i nc o n t r o lc r i t e r i o n f o r i n s t a n c e ，t h ee r r o r so f1 6 m n rs p e c i m e n sw i t hd e f e c tr a d i u so f o 0 6 m ma n d5 r a ma l eo n l yl a n d3 o no n eh a n d ，l o c a ld e s t r u c t i o no fs t r u c t u r ei sa s s o c i a t e dw i t hm a t e r i a l sm a x i m a l a l l o w a b l es t r a i n ，0 nt h eo t h e rh a n d ，t h ew a yo fd e s t r u c t i o ni sa f f e c t e db ys t r e s ss t a t e t h e r e a r ed i f f e r e n tr e d u c e so ni m p a c ta b s o r b i n ge n e r g yo ft h r e et y p i c a lm a t e r i a l sw i t ht h e i n c r e a s eo fp l a s t i cd e f o r m a t i o n , a n dt h er o l ev a r yw i t hm a t e r i a l s f o re x a m p l e ， b a s i c a l l yq 2 3 5w i t l lp r e - s t r a i nd on o th a v et h ec a p a c i t yt ob e a ri m p a c tl o a d ，s oi t i s n o ta d a p tt ot h ew o r ki np l a s t i cs t a t e k e y w o r d s ：c o n s t i t u t i v er e l a t i o n ；p l a s t i cd e f o r m a t i o n ；t w od i m e n s i o n a ls t r e s s e s ； t r i a x i a ls t r e s st o e 伍c i e n t ；f e m i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：善么蜂 日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：萎众绎 导师签名： 弓铖1 仉期：7 柚 、召之碉 第2 章绪论 鼍- - 一 一 i i 量皇皇曼皇皇量曼曼量曼曼曼舅舅曼曼量量皇量量曼皇量量曼曼量 1 1 研究意义 第1 章绪论 在现代化工业中，各种大型的承压设备已经广泛的应用于核电、石油、化 工、热电、冶金、轻工、医药等各个领域，在工业生产中起着不可替代的作用。 同时，随着时间的迁移，逐渐老化的承压设备也带来了负面的影响。据统计，2 0 0 0 年共发生锅炉、压力容器及压力管道的爆炸事故1 5 5 起，共死亡1 7 5 人，受伤3 6 8 人，直接经济损失4 5 0 3 2 3 万元；2 0 0 1 年共发生锅炉、压力容器及压力管道重大 事故9 起，严重事故1 7 6 起，共死亡1 5 8 人，受伤2 9 4 人，直接经济损失1 2 0 5 万元； 2 0 0 2 年共发生锅炉、压力容器及压力管道的重大事故9 起，严重事故1 1 7 起，共死 亡1 0 4 人，受伤1 9 7 人，直接经济损失2 5 5 2 4 万元；另外，据不完全统计，2 0 0 0 年2 0 0 5 年期间，我国发生的数百起压力容器爆炸事故中。其原因：属于设计方 面的原因占2 2 1 ，属于制造方面的原因占2 7 8 ，由于失检失修的原因占 2 0 8 ，由于超负荷使用的原因占1 4 3 ，由于错误操作的原因占8 8 ，其他 方面原因占6 1 左右【z j 。 针对承压设备安全事故，早在国家“八五”“九五”和“十五 科技攻关期 间，建立了典型含缺陷结构的安全评定基础数据库；提出了相应的安全评定方法， 但对于复杂结构、材料强化、退化等特定问题，因缺乏必要的数据无法进行评定 或评定结果受人为因素影响较大或过于保守。使现役承压设备不能达到最大利 用，造成资源的浪费。据统计，我国现有在用压力容器6 8 0 0 万台，安全使用寿命 长的可达2 0 年，短的只有几个月。粗略估计一下，若能将每台设备的寿命平均延 长2 年，则相当于制造安装新设备1 7 万台，可为国家节约大量资金。 为此，国家科技部将为在役承压设备承载能力挖潜列入“十一五”国家重 大科技攻关项目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 术研究与工程示范中，本文即为“十一五”科技攻关项目0 3 专题承压结构运 行损伤与安全工作载荷研究的部分研究内容。 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 早在1 8 6 4 年，h t r e s a c 在金属挤压的试验中，观察到金属塑性流动的痕迹和 最大切应力的方向一致，并且提出了最大切应力理论，成为金属塑性成形理论的 起源，但t r e s a c 没有将他的理论用精确的数学语言来表达：1 8 7 0 年，b s a i n iv e n a n t 将该理论运用数学表达式描述，从而建立了著名的t r e s e a 屈服准则。1 9 1 3 年r v o n 北京t 业大学工学硕十学位论文 m i s e s 对t e s e a 屈服准则进行了修改，建立了以材料的畸变能为屈服条件的m i e s s 屈服准则。w l o d e 和g i t a y o r ，h q u i n n e y 分别在1 9 2 6 年和1 9 3 1 年通过试验验证了 这两个屈服准则，他们分别通过拉伸和内压联合作用下的薄壁圆管和拉伸扭转组 合试验，证实了两个准则的可靠性，其中m i e s s 准则考虑了中间主应力对屈服的 影响，更接近于试验结果l 驯【4 j 。 t r e s c a 和m i s e s 这两个屈服准则已成为各向同性金属材料塑性变形的经典方 程，但它们也存在不足之处，它们不能反映出材料的“运动硬化 和“等向硬化”， 两个准则的屈服面在应力空间中位置是固定不变的，既不移动，也不改变形状， 常用于讨论材料的初始屈服【5 儿6 1 。 1 9 9 3 年，h i l l 发现当金属板材沿轧制方向与沿横向拉伸时，其屈服应力相同 但相应的应变率却明显不同，在解决这个问题的过程中，他提出了另一种屈服准 则。 1 9 9 9 年m a e w a l 提出，正交各向异性材料存在各向同性硬化的规律，该规律 可以从一系列单向拉伸试验曲线得到，并且从中能反映出材料塑性的压缩敏感 性。 我国关于塑性本构关系的研究从1 9 5 6 年秋开始，是当时中国科学院力学研 究所发起，由李敏华和王仁组织了一个讨论班。开始用薄板和薄管进行试验，主 要研究复杂应力下的屈服面、各向异性强化、以及偏离简单加载等，为变形理论 的有效性寻求范围。1 9 6 5 1 9 7 7 年间，国际塑性力学研究最活跃和富有成效，而 在这个时期，我国的塑性力学研究活动基本停顿。 1 9 8 9 年，连建设等人考虑h i l l 在1 9 7 9 年提出的非m i s e s 型各向异性屈服函数， 展开了它在平面应力条件下的五种特殊情形并用等效应力和等效应变率表示。 1 9 8 9 年到1 9 9 0 年期间，黄克智、黄筑平、王文标等人将有限变形塑性理论 进行了系统的研究。在此基础上，赵祖武提出了应力偏量可以分解为两个相加的 部分：对应于分布的位错运动服从理想塑性法则和试验中观察到的位错堆积服 从硬化法则，他主要用应变偏量路径的长度作为参数。 1 9 9 0 年到1 9 9 1 年期间，梁乃刚、黄克智等人对宏观和微观塑性理论进行了 研究。1 9 9 7 年，贾乃文以h i l l 正交异性屈服准则为基础，考虑体积变化的塑性屈 服条件，建立了宏观各向同性材料二平面上椭圆屈服准则，这对d r u c k e 屈服准则 是一个修正和推广。 2 0 0 0 年，万敏等人从板材的屈服准则、强化模型、成形极限和复杂加载路 径产生的影响等方面进行研究、分析和综述，建立了符合板材成形特点的复杂加 载路径的试验方法，验证理论计算结果的准确性及适用性并确定了复杂路径下 的解析描述和实用判据，是目前该领域的主要研究方向。此外，黄文彬、徐秉业、 熊祝华等一大批国内著名的力学专家都在塑性力学方面进行了大量卓有成效的 工作 7 1 。 2 第主章绪论 詈曼曼曼曼曼曼曼曼曼詈曼曼曼曼量曼鼍量皇曼量皇i ii i _ 一_ 一- - _ - - - - 量量量 2 0 0 3 年何蕴增，邹广平提出了实心圆轴扭转试验建立有限应变本构关系的 概念，并完成了通过实心圆轴扭转试验建立有限应变本构关系的方法，使本构关 系所描述的有效范围扩大，有利于探讨研究更大应变下的材料力学行为【8 1 【l o l 。 多年来，塑性本构关系的理论研究和实验研究是相辅相成的。塑性本构关 系的实验分析可以分为两个时期，1 9 5 0 年以前的工作主要是验证各种屈服准则和 全量型及增量型两大类型塑性本构关系的一些基本假定和定理，1 9 5 0 年以后的主 要实验工作是强化规律，即后继屈服面的实验工作以及塑性本构关系的实验研究 工作。 1 2 2 塑性极限分析的发展及现状 极限分析方法首创于上世纪的二十年代，发展缓慢，且限于一维结构方面 的研究。五十年代，极限分析的上、下限定理得以证实，d r u c k e r 以稳定材料为 基础提出了与屈服条件相关联的流动法则之后，塑性极限分析的理论和方法才得 到了较大的发展。d c d r u c k e r ，w p r a g e r ，h j g r e e n b e r g 对理想弹塑性模型的 平面和空间问题的上、下限定理进行了研刭1 1 】。 六七十年代间，压力容器研究委员会( p v r c ) 设计部下属的各个分会对压力 容器的零部件进行试验研究和分析，寻求获得极限载荷的方法，但由于理想材料 与实际材料的特征差异，出现了许多不同的确定塑性极限的方法。1 9 7 5 年，经 a s m e 机构和p v r c 协商，由p v r c 资助专门成立了“结构塑性行为特征 研究小 组。研究小组的任务是广泛搜集关于极限载荷和塑性破坏方面的资料、数据和信 息，并进行分析、归纳和整理，最终向p v r c 设计部推荐一个统一的确定极限载 荷和塑性破坏载荷的方法。随后在1 9 7 6 1 9 7 8 年，j c g e r d e e n 对前人的研究成果 进行了进一步的总结和研究，提出了确定极限载荷和塑性破坏载荷的一般方法。 美国m _ r t u r s 蛐s 【l2 j 教授在p v r c 资助下，在2 0 0 2 年发表了w r c 4 6 4 公报。 这个公报阐述“极限分析法设计压力容器指南，其内容分为三部分：( 1 ) 什么是极 限载荷；( 2 ) 如何用塑性有限元计算极限载荷；( 3 ) 对一个实际的设计问题怎么去做。 该公报的发表，是对前人工作的一个总结，对极限分析在压力容器中的应用和推 广有着深远的意义。 1 9 9 9 年，浙江大学金志江教授运用基于有限变形理论的三维大应变弹塑性 有限元程序和实测法详细研究了压力容器接管区的应力分布、塑性区成型规律及 应力衰减等特性【l3 1 。 2 0 0 2 年，李华祥，刘应华等人从细观和宏观两个角度研究复合材料及其结 构的塑性极限承载问题。根据塑性极限分析中的上限理论，借助于均匀化理论和 有限元方法，建立复合材料强度参数计算的有限元数学规划格式。在此基础上， 模拟复合材料的屈服面，进而拟合出复合材料的屈服准则。在宏观角度上，针对 北京t 业大学t 学硕十学位论文 由复合材料构成的结构。根据数值模拟得到的屈服准则利用上限分析方法计算 得到复合材料结构的极限载荷【1 4 1 。 2 0 0 3 年，郭茶秀，李培宁等人，对弯管的塑性极限载荷进行理论分析，利 用m i s e s 屈服准则，推导出内压和扭矩联合载荷作用下等厚弯管、非均匀壁厚椭 圆弯管的塑性极限压力，并实验验证了理论分析的正确性【1 5 l1 1 6 。 2 0 0 3 年，陈钢，刘应华等人对不同结构、不同载荷形式下的管道进行了失 效模式分析【1 7 1 【捌。 2 0 0 4 年，金志江，曹明等人通过实测应变和二倍弹性斜率法，对带椭圆形 接管球形容器的极限载荷进行了爆破试验研究1 2 3 】【2 4 】。 2 0 0 5 年，陈钢，刘应华对内压和面内弯矩作用下含局部减薄弯头的极限载 荷进行了研究，分析了载荷组合、缺陷形状、位置、尺寸对弯头极限承载能力的 影响，讨论了导致弯头破坏的典型失效模式。计算结果为含缺陷弯头的安全评定 提供了一定的理论依据【2 5 卜【3 7 j 。 2 0 0 6 年，谭开忍，肖熙通过爆破试验结果与a s m eb 3 1 g 结果的对比，提出 了材料非线性和几何非线性系统的分析方法，并应用有限元对水下管道进行了极 限载荷分析【3 引。 2 0 0 6 年，张国栋，曲淑英等人对，丌管节点在支管端部承受轴向压力作用下 所能承受的极限载荷进行了数值模拟，并分析了节点在支管端部承受轴向载荷的 变形与外部载荷之间的关系，得到了不同参数影响下的1 v r 节点极限载荷【3 9 1 1 4 0 l 。 “八五 至“十五 期间，数百名科技工作者对压力容器和管件进行了大 量的塑性极限试验和分析，取得了一系列重大科技成果，同时撰写和发表了大量 学术技术论文。以陈钢，李培宁，孙亮等人为代表，对各种复杂载荷下的三通、 弯管、封头等作了大量的研究，并提出了相应的缺陷评定方法【4 i j 【6 7 l 。 本研究完成了大变形实心扭转下的本构关系的实验研究，验证了大变形条 件下扭转本构关系的适用性：实测低碳钢、低合金钢、不锈钢在拉伸、扭转载荷 联合作用下的等效本构关系，考察应力状态对本构关系的影响程度，以及复杂应 力状态下材料的最大等效应变与应力状态之间的定量关系，为材料性能参量表征 方法研究提供基础数据。实测低合金钢、不锈钢双边缺1 2 1 试件在单向拉伸载荷作 用下的破坏载荷，以及微观结构的相应变化，与有限元计算的结果进行对比分析， 验证局部过大塑性应变失效模式的存在以及应变控制准则的适用性。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本文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，实现 4 第2 章绪论 延长承压设备的安全使用寿命，从而节约能源。 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：一是典型材料的本构关系，采 用实芯圆棒大变形扭转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。二是多向应力状态下，典型材 料的本构关系数学模型的建立，以及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万一万数学关系；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( 瓦。) 与应力状态表征参量三轴应力度t s 值的数学模型( 瓦。，一t s ) 。 三是在不同应力状态( t s 值) 下，典型结构发生局部破坏的微观特征分析以及 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a s m e 局部应变失效控制条件的工程适应性。 本课题不仅为“十一五”大课题的理论研究积累了大量的基础实验数据， 而且在实际工程应用中也有一定的参考价值。 1 3 2 主要的试验工作 本文作为“十一五 课题的一部分，主要以实验为基础，通过准确的基础 实验数据来阐述扭转大变形本构关系与传统单向拉伸本构关系的吻合性，探索拉 伸扭转联合作用下材料本构特性和应力状态的关系，验证局部应变控制准则适应 性和局部应变失效控制条件的工程适应性。 a ) 典型材料本构关系试验研究 通过单向拉伸和大变形扭转测量材料的本构关系，并进行对比。试样分为板 型和圆棒型，三种材料( 1 6 m n r 、q 2 3 5 、3 0 4 ) ，共试验4 6 件。 b ) 拉扭二向应力状态下材料应变强化与结构破坏关系研究 分别进行了三种材料( 1 6 m n r 、q 2 3 5 、3 0 4 ) 、5 种不同拉、扭应力比例的联 合扭转试验，先后共进行了3 0 根试样的拉扭试验，得到了拉扭二向应力状态下材 料的等效本构关系，以及应力状态队本构关系的影响程度：并探索了后继屈服轨 迹的发展趋势，给出了材料最大等效应变( 瓦。 与应力状态表征参量三轴应力 度( t s 值) 的数学模型。 c ) 双边u 型缺口结构破坏试验和应变控制准则的试验验证。 通过二种材料( 1 6 m n r 、q 2 3 5 ) 、3 种缺i z l ，共2 4 根试样的试验研究，根据 局部应变控制准则，利用有限元方法计算结构的临界载荷，并从微观角度观察应 北京t 业大学t 学硕士学位论文 力集中部位的微观金相变化，验证了应变控制准则的适应性和局部应变失效控制 条件的工程适应性。 d ) 预应变冲击试验研究 分别对三种材料( 1 6 m n r 、q 2 3 5 、3 0 4 ) 、5 种预应变状态( 原始、5 预应变、 1 0 预应变、1 5 预应变、2 0 预应变) 试样进行了4 5 个试样的冲击试验研究， 发现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，并建立了最大应变与冲击功之间的数学模型，这在工程实际应用中有一 定的参考价值。 1 3 3 研究思路 塑性强化极限承载能力研究 典型结构 ! 垦丛丛低佥全塑jiq 2 3 5 低碳钢j1 3 0 4 大变形本构关系 拉伸ii 扭转 拉扭二向应力状 态等效本构关系 = = = = = 应力状态对本构 望璧 i 屈服准则的验证 缺嚣募纂雾引i 动嚣变 限分析研究 ii冲击 翻斥再嘉习i 工程适应的 失效ii 应变控ii 上任旭胜驯 模式i i 制准则i l 数堂世 三 l 数值计算l = 工二 宏观和微观 l 试验验证i 1 3 4 文章结构 第一章，绪论；第二章，典型压力容器材料本构关系研究：第三章，拉扭二 向应力状态对材料本构和塑性变形的影响；第四章，应变控制准则的有限元分析 和试验验证；第五章，典型材料的工程预应变冲击研究；结论。 6 第2 章典型压力容器材料本构关系研究 曼曼皇曼曼曼曼量曼曼皇曼鼍曼曼量曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼昌曼曼曼皇曼皇曼曼皇詈曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼量曼曼曼曼曼量曼曼i i _ ； i i 量量鼍 第2 章典型压力容器材料本构关系研究 研究目的：实测低碳钢、低合金钢、不锈钢的单向拉伸、扭转剪切应力应 变关系曲线，考察材料工程应力应变至真应力应变的转换方法，为材料性能参量 表征方法研究提供基础数据。 研究思路如下： l 材料在单向应力状态一f 的力学性能 l 2 1 拉伸过程真应力一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 1 1 工程应力与工程应变关系 在工程上判断材料的力学性能应用最广的是拉伸试验。即从实验过程中的 p 4 ，曲线得到应力应变曲线，即为工程应力一应变曲线，依此建立材料的本构关 系。 定义：工程应力： 7 北京t 业大学t 学硕士学位论文 工程应变： p o = 一 a o a 。丁 i o 其中：彳广为试样的原始截面面积，o - 为试样原长，p _ 为加载载荷， 址一为试样变形量。 工程应力应变的缺点是没有考虑试样截面的变化。 2 。1 1 2 真应力与真应变 定义：真应力： 。p o = 7 a 真应变： d 孑：孚 ， 其中：五一为试样的瞬时截面面积，卜为试样瞬时长度， 2 1 2 2 2 3 2 4 p 为加载载荷。 2 1 1 3 真应力真应变与工程应力工程应变的转换关系 按照塑性体积不变原理，试样原始体积= 变形后的体积， 则有：4 乇= j 7 ，故： 彳= 争4 = 南鸣 2 - 5 由2 4 求真应变，得到： 琶2 。d z ，29 丢= l i l ( 1 + ) 2 - 6 将2 5 代入2 3 ，并由2 6 t 1 0 ： 6 = j p = t i o + a i i p = 。( 1 + e ) 一2 2 - 7 彳 乇a 、 2 1 1 4 拉伸实验中真应力应变曲线的转换关系 式2 6 、2 - 7 表示了真实应力应变与工程应力应变的相互转换关系。但是， 该式只能反映材料颈缩前的本构关系。而对于塑性材料而言，材料的颈缩过程占 了塑性变形的绝大部分，因而此关系式并不能完整描述材料本构关系的全过程。 第2 $ 典h 山容器材料丰构关系研究 211 5 实验材料：1 6 m n r 、q 2 3 5 及3 0 4 不锈钢 2116 实验执行标准与实验设备 拉伸实验标准：g b 2 2 8 2 0 0 2 “金属材料室温拉伸实验方法”。 实验设备：r s a 2 5 0 ( 德国) 2 5 0 k n 电子万能试验机，见图2 1 。 21 17 试样尺寸 图2 - 1r s a 2 5 0 ( 德国) 2 5 0 k n 电子万能试验机 f i g2 - 1r s a 2 5 0 r g e r m a n y ) 2 5 0 k n e l e c t r o n i c u n i v e r s a it e s t i l l g m a c h i n e 拉伸试样分为板型及圆型，尺寸见图2 2 和图2 3 r t _ 一_ = = = 一一- 图2 - 2 板型拉伸试样 f i g p 2 - 2 t e n s i l e t e s t t e m p l a t es p e c i m e n 图2 - 3 圆型拉伸试样 f i 岛2 - 2 t e n s i l e t e s t c i r c u l a rs p e c i m e n 北京工业大学t 学硕士学位论文 2 1 1 8 实验结果 ( 1 ) 1 6 m n r 材料 拉伸实验共进行6 件，其中板材试样3 件，圆形试样3 件。力学性能统计结果 见表2 1 ，按理论计算的典型试样真应力应变曲线与工程应力应变曲线对比见图 2 4 。 表2 - 11 6 m n r 材料力学性能统计结果 t a b 。2 116 m n rm e c h a n i c a lp r o p e r t y 试件号试件形式弹性模量e g p a抗拉强度r m m p a屈服强度r e l m p a 1 板型 2 0 2 65 4 8 83 9 0 0 2 板型 2 0 7 65 4 9 93 9 8 0 3 板型 2 0 3 95 5 4 84 0 0 9 4 圆形 2 0 3 25 0 4 33 4 6 7 5 圆形 2 0 6 45 0 1 2 3 3 2 7 6圆形2 0 1 54 5 1 73 1 0 4 平均值 2 0 4 25 1 8 53 6 3 1 r 趟 瑚 彻 锄 4 0 0 r 蛳 氇 枷 御 o 棚 0 a no 肺0 1 0 o 0 , 2 0 蟠 应变 a ) 1 6 m n r1 号( 板材) 应力应变曲线 a ) s t r e s ss t r a i nc u r v eo f16 m n r n o 1 n n 0 1 0 0 1 50 d q 00 2 5 们o 应生 c ) 1 6 m n r3 号( 板材) 应力应变曲线 c ) s t r e s ss t r a i nc u r y eo f16 m n rn o 3 l o b ) 1 6 m n r2 号( 板材) 应力应变曲线 b )