（化工过程机械专业论文）连续损伤力学有限元法在高温构件设计和焊接修复中的应用.pdf

南京工业大学硕士学位论文 摘要 蠕变损伤足高温环境一f f l f f , 役构仲失效的主要原i i 夭l 之一，这与常温下构件由于强度不 够导致的破坏有着本质的区别。因此对商温和r 常温两利叼：同环境下的失效模式要求有不 同的设计准则。但足观m 。| ，j 些上见范挪没订能在较严格的胖论框架下对高温啦街的i 殳计 挝出介理的准则，耳【l 反人多数规范诬姒是瞒j ：经验的总坌1 1 i 。为此小文以连续拟伤力学理 沦为j 。骊n 通过试验, j = 1 1 0 限冗模拟，针刘高温环境t l - 构件的设汁、监测及延寿修复问题 进行了探讨。论文的主要研究工作和i 杖得的结论如f ： ( 划1 蛳慰构什f l 勺没h 舰范、寿命评价方法以及损伤构件修补的研究进展进彳亍了 评述，提 n 了新的研究方向。 ( 2 ) 通过编制用户子程序，利用a b a q u s 的u m a t 接口，实现了在a b a q u s 中对修正7 舛k a r c h a n o v r a b o t n o v 本构模型的模拟，列如 珥保证非线性数值模拟的收敛 作了初步的探讨。并川该程序模拟计算缺u 试样，模拟结果与缺l l 试样试验结果吻台 l p j 该法适j jj ：多轴j 越力? 状态卜- 构1 ，l ：的损伤模拟。 ( 3 ) 通过刈典烈体冗的损伤分析，考察丁应力多轴度甜蛹变破断应变和寿命的影 响，_ ) f ：对儿种典型结构( 弯管、t 型接管) 进行了损伤寿命的数值模拟。计算结果表明， a s m e c o d ec a s e n 4 7 规定的单f ：应变容限位有的偏保守，有的偏危险，因而a s m e 准则需要进行修i f 。 ( 4 ) 利用连续损伤力学理论对焊接件的补焊问题进行分析，模拟计算了补焊件的 失效模式、延寿效率等问题，同时还对补焊件坡 i 宽度的影响、最优补焊时问、全补焊 平“部分补焊等问题进行了初步的探讨。分析表 f ：对热影响区的蠕变失效，采用提前补 蚪j f ：小能抛两延寿效：簪，川反总的寿命还会有所郴昂，但是从安全性的角度考虑后，把 h 焊州州定为f 静次损坏寿命的9 0 9 5 是较为合理的；适当地加大坡口宽度有利。r 提 高 h 蚪什的服他奄命。 关键词；高温构件，蠕变损伤，设科准则，损伤力学，有限元法，延寿，补焊，数值模 拟。 摘要 a b s t r a c t c r e e t ) d a m a g ei sn i l eo f t i me s s e n t i a lr e a s o n sf o rt h ef a i l u r eo ft h ec o m p o n e n t ss e r v e da t e l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，w h i c hi so b v i o u s l yd i f f e r e n tf r o mt h ef a i l u r ed u et oi n s u f f i c i e n ts t r e n g t h a tr o o l l | t e m p c i a t u l e d i f f e i o n td e s i g nm e t h o d o l o g yi st h u sr e q u i r e dt oa c c o u n tf o rf a i l u r ea t h i g hl e n l p c l a t u l e 1 t o w c v c rt h ec u t r e n td e s i g nr u l e sf o rh i g ht c r n p e r a t u r ec o m p o n e n t sh a v e b e e nm o s t l yb a s e do nt h ee m t _ ) i r i c i s n la n da r el a c ko f s u p p o r to fs c i e n t i f i cu n d e r s t a n d i n g i n l i g h to f t h et h e o r yo fc o n l h l u u n ld a m a g em e c h a n i c s ，d e s i g nm e t h o d o l o g ya n dl i f ee x t e n s i o n r e p a i ro fh i g ht e m p e r a i m ec o m p o n e n t s a r ei n v e s t i g a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t a ls t u d ya n df i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o nt h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft i mp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( i ) t h e s t a t e o f - t h e a r to fd e s i g n c o d e s ，l i f ea s s e s s n l e n tm e t h o da n d d a m a g i n g c o m p o n e n tr e p a i r i n ga r er e v i e w e d p o s s i b l ei m p r o v e m e n to f c u r r e n tc o d ei sp o i n t e do u t ( 2 ) t h em o d i f i e dk a r c h a n o v r a b o t n o vc o i a s t i l u t i v ee q u a t i o nh a sb e e ni n c o r p o r a t e di n t o f i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma b a q u st h r o u g hi t su s e rs u b r o u t i n e u m a tt e c h n i q u e st h a t e n s u l et h ec o n v e r g e n c eo fn o n l i n e a rn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ed i s c u s s e d t h ep r o g r a mi s w 2 i i f l e d b yas a m p l ep i o b l e m f u r t h e rc r e e l ) l e s t v e r i f i c a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u to na n o t c h e ds p e c i m e n ，w h i c hs u g g e s tt h a tt h em o d i f i e dk a r c h a n o v r a b o l n o vc o n s t i t u t i v em o d e l c a l lb eu s e dt oi n t e r p r e tt h ec r e e pd e f o n n a t i o no f c o m p o n e n t su n d e rm u l t i a x i a ls t r e s ss t a t e ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo ft h es t r e s sn m l t i a x i a l i t yo i lc r e e pl i f eh a sb e e ns t u d i e db ym e a n so f d a m a g eo fr e p r e s e n t a t i v ev o l u n ee l e m e n t t h ec r e e pl i f eo fs o m et y p i c a ls t r u c t u r e s ，s u c ha s b e n dp i p ea n dt - j o i n t ，h a sb e e ns i m u l a t e d ，t h en u i n e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n e l a s t i cs t r a i n l i m i t sa r es o m e t i n l e so v e r l yc o n s e r v a t i v e ，w h i l es o m e t i m e sc a l lb ev e r yr i s k y t h ea s m e c o d er u l e ss h o u l dt h u sb em o d i f l e d ( 4 ) b y n s co ft h ed a m a g ec o u p l e df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，i s s u e so ft h ef a i l u r em o d ea n d e f f i c i e n c yo fl i f e e x t e n s i o ni n r e p a i rw e l d i n gh a v eb e e ns t u d i e d t h ei n f l u e n c eo fg r o o v e w i d t ho f w e l d s o p t i m a lw e k lr e p a i r i n gt i m e ，d a m a g ei nf u l la n dp a r t i a lr e p a i rw e l dh a v eb e e n o b t a i n e d t h er e s t l l t ss h o wt h a tt h ee f f i c i e n c yo fl if ee x t e n s i o nc a nn o tb ei m p r o v e db y p l e i e p a i iw e l d i n gf o r1 t a zf i l i l u r e ，0 1 1t h ec o n h a r y , t h el i f ei ss h o r l e n e d f r o mt h ep o i n to f 、，i c y , , o fc o n s o lv a t i s m ，t h et i n l eo f r e p a i rw e l d i n g s e ta t9 0 - 9 5 o ft h em a x i m u ml i f ei sm o r e r e a s o n a b l ew i d e r g r o o v eo f w e l d sm a y r e s u l ti nl o n g e rl i f eo f r e p a i rw e l d s k e y v o r d s ：h i g hi c n l p e r a t u r ec o l n p o n e n t ，c r e e l ) d a m a g e ，d e s i g nc r i t e r i o n ，c o n t i n u u m d a m a g em e c h a n i c s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，l i f ee x t e n s i o n ，r e p a i rw e l d ， n u m e r i c a is i m u l a t i o n 南京工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 现代过程工j i k 生产r h 对提高产量的要求促使了高温高e 技术的广泛应用，同时材 制利学n q 迅孺发展也使得商温高压技术的运用得以成为现实。对于高压技术，现有的力 学綦砷已经能很好地给以理沦支持，闪此【! | j 使足超商k 装置在现实t l 产中也是屡见不 鲜。i 是尢小产 一对高泓：嫂罱的健川t 目j 还揪谨慎，这1 j 硬足高温卜所涉及的4 1 1 关冈素远 多于高压所涉及的l 划素，而且高温环境f 利料的力学性能又与时问相关，这就给高温问 题的解决j 苘添丁额外的难度“l i 是盯1 二高温问题的复杂性，所以商温构件的设计以及修 复技术远比常温i _ - - 难得多，但是核能、火i 乜、五i 化、冶金等： 业部门对高温技术的迫 切需求，又使得建立安全合理的高温构件设计规范和维护舰程显得尤为重要。 1 2 高温构件设计规范的发展现状 我国现有高温构什的设计由于缺乏相应的标准规范，所以基本上是依据常舰压力容 器设计标准来完成的“l i j j 二缺乏理论依据，高温砹备f j 使j f j 寿命就难以做到准确预测和 挖制。十n 反存发达困家，诸如美固机械工程师挑会规范案例a s m ec o d ec a s e n 4 7 1 “、 一延的r 5 规范i ! l 以及洲i r c c 。m r i i 规范部u 经f i 剑较为广泛的运川。1 ：这些舰范 都是从高温缔构强度i 1 1 发来考虑高温构件i j 设计问题，所以他们的 | - 现极大地推动了高 温构p 0 设“f 【论【4 i 。 对于a s m ec o d ec a s e n 4 7 和r c c m r 规范而占，它们都是在忽略初始缺陷后， 对构件进行商温设计的规范：而英国巾央也力局发行的r 5 规范则是在考虑了初始缺陷 的前提f ，剥高温构件的设计方法，并目r 5 还包括了对缺陷和焊接构件的评定规程， 因此相对r 前面两个规范r 5 更显完备。但足需要指i “的是这些规范虽然是针列高温构 f ，| = 制定n 0 ，仉是部没f j 足够的使川经验，而n 这蝗舰范本身也都存有较大的局限性。另 外山_ j 一备围的规范往往只是引对本刚或某一行业的高温构件制定的，因此相互问纳共性 j 咬少个f l jrh i f f 1 ；：；。为j 1 【：，m1 9 9 6 i ilj j j ；j1 9 9 9 f i1 2 月i 欢d “) l 同休进行了- 项 l l i 欧洲9 田1 2 个币位联合攻关，旨在发展新的高温没计的欧洲规范乃至固际规范的 1 1 i d a 汁刚( 1 l i g hq c m p e t a t u r ed e f c c ta s s c s s n c n | ，b e l 7 0 2 ) ，并试图建立起柑应的知 = 库系统1 5 l 。在第一轮h i d a 计划完成后，山于对高温设计规范的迫切需要，在2 0 0 0 年 第一章绪论 瞅洲共1 司1 书义发起了第二轮的1 1 1 d a 研究讣划，离在把前一轮的研究计划继续深入下 去。除此之外，2 0 0 2 年2 月欧盟1 6 个成员国4 1 个研究单位又肩动了一项名为f i t n e t 的计划，其主要目的就足发展并拓宽“合乎使川舰程”在整个欧洲的使用。它是欧盟第5 框架研究汁划的一部分，f i f n e t 框架将包括断裂、疲劳、蠕变和腐蚀四种失效模式的 甲定褒j , r i 几于所f r 欧洲现有含缺| ；| ；1 结丰；：j 的评定舰范，订的屉将束形成一个全欧洲统一 的弁于适川标准。 在一l 述这些- 岛温设计方法的研究计划中，除了拱础的试验部分以外，大量的工作都 需要通过计算模拟来实现。剥于这些计算而言， e 往是先从有限的实验室试验中回归出 分析所需的利荆参数，然后建立耦合损伤内变讯n f j 有限元方法，最后通过大最的计算分 析从而建立j i f ( j 高温结构没计计e 则。可以看出，在这些实施的汁划- l ，连续损伤力学的 运用是新标准得以确立的基础。 1 3 连续损伤力学 材荆的损伤是一个材质不断劣化的渐进过程。在微观尺度下，在缺陷或界面附近， 微应力累年j 滞1 连接破坏使材料产生损伤；在细观尺度上，损伤是指微裂纹或微孔洞的增 【、接合以及o m - 裂纹：t l ：宏观j t 度上则足指裂纹的扩展。刈。j ：前两者的研究建立起了 细观j 铀伤力学。它址撤擀车j 利微观成分恤独的力学7 r 为，采j i j 带损伤的规则坼元馍型， 通过阶法建立起的、i 肺分 ! f i _ 理沧。而划j ：宏观j t 度的损伤研究，则足首先对劓料变形 过程进行宏观和微观的试验，根搦材料损伤演变的微观现象和宏观表现，再采用唯象法， 选择适当的损伤参量作为木构关系巾的内变量建立方程。 在损伤力学的发展过程巾，不同的学者给损伤下的定义也各不相同k a r c h a n o v 首 先引入丁“连续度”( ) 的概念来表彳j e 损伤程度1 ”，他指山若用a 表示无损伤时的初始截 了 而积，彳表示损伤后的有效截面积，则少可被定义为：妒：i 竺，r a b o t n o v 在k a r c h a n o v a 的一i ：f 1 ：j 连础1 7 3 f 入一一个更易理解们变量损伤i 目予( d ) 一一来定义损伤f 7 】：d = 1 _ p 。 b r o b e i gj 1 3 j k l 0 j l - 义为1 8 i ：d = j 1 1 昙= i n a i n 彳，根j j l i ：b r o b e r g 的这个定义，损伤具有可 月 舭陛。l e m a i t r e 则川劓料的弹模变化来表征损伤4 。i ：d = l 一磊。此外还有j j 裂纹密 度和微孔涧的体积百分数等来定义损伤的【10 , 1 1 , 1 2 1 。以3 - f l q 这些定义都是把损伤看成是标 量，但实际情况是材料的劣化是备向异性的，因此矢量型年l i 张量型损伤被相继提出。 2 南京工业走学硕士学位论丈 k r i i c i n o xr i c i 3 j 灭硪舾j 伤变界表钲j 6 i 伤，v a k u l e n k o5 f t lk a c h a n o v l l 4 以及m u r a k a m i 和 o h n o i ”1 1 1 j 继采 j 二阶微裂纹密度张量0 9 二来捕述损伤，更一般的数学表达形式则是山 t a m u z h 和l a g s d i n s h l 8 1 给f b ，他们t j 一组包含研究点所处单位球表丽上的函数来完成对 损伤的描述。 从损伤的本构方程来看，理论工作者也不断车句造出更为复杂的模型，期望能与试验 数据进1 , y - i 叻台。如t t a y h t u s t 等提出的多个损伤参量i j f i q 本构模型，由w i l s h i r e 和 e 、r a r t s i ”i 发肥起求的0 投影法以及l c m a i u e 存f ；n r 逆热力学的框架下建：妒起的损伤方 程等。 1 4 应力三轴度对损伤的影响 通过多年的实践总结，理论工作者和工程设计人员已逐步认识到用传统的持久强度 ，j 法束评价商洁矗部件的剩余寿命与工程实际寿命m 存在着较大的差距，其原因主要足试 验所测部是单车 i i 成力下的蠕变结果，而真实高温部件在现场承受的却是多轴应力。两者 n i j 行征较人的差距。舭现。仃的持久强度外推技术所得到的结果与真实试验结果之问存 m 较人的跌差。 通常大多数构1 ，| = 于承载的复杂性以及不同的约束条件，经历的是三维应力状态。 而高温下n 勺部什更f f i1 二温度梯度的存在而使得存诸如丌孔或变截而的部位产生多轴应 力状态。多轴应力状念远比单轴应力状态来的复杂，并多轴应力状态对失效机理、失 效模式以及晰裂应变都有着蘑要的影响【1 9 】。构件在承受较高的多轴应力水平时由于变 形受到约束会使得断裂过程加速，最终导致构件的提前失效i ”i 。l e m a i l r e i2 1 1 针对多轴应 力提出了一个多轴蠕变损伤模型，表达式为： 。= - 一 - 月，c ，+ 口 ( 导) 7 ， 再i c t t ， 其巾口、a 、，一为材料常数。式中三轴因予： b 争小。z 舯，= 胁。 i ，2 ：s i i = o i j - o t l 6 s 0 ；= 知为枞c 。 ( i 2 ) 从上武可以看出即使是采用标量形式，损伤的表达式也非常复杂，若再把损伤考 第一章绪论 瞧成灾戢或j 最形式，则计算时的繁琐性可想丽知l ，完全不适舍丁工程上们使j 1 j 。为了 满足工程界所希望的简化方法，s e s h a d r i l 2 2 s e v e r u d 【2 3 1 在这方两作了不少的工作，并 且后暂的一些计算结果已被a s m e 写进了c o d ec a s e n 4 7 3 3 ( 1 9 9 5 ) 中。他们在单向 受力阡仆处j 纯成变控f j j j jl 、f | 0 蛳；变麻i j 松弛琐j 弘l ：i j i 入考虑多轴影响耳1 i 弹性跟随 ( e l a s l i c f o l l o w u p ) 影响的修币系数，以达到列多轴应力的计算。但是这些修正因子 足_ ：嗵过定。陀分析的简化w 而得到的，常常导致j 实际松弛过程有较大的偏差。王小宁 和 i 鼬成l2 4 】综合考虑了实际结构应了j 松弛的各个凼素后，提出了与实际更相符合的简 化修1 1 二方法。 1 5 高温构件寿命的评价 1 5 i 应力强度理论 蠕变损伤导致的结构破坏，从小质【：i ) = 仍然是一利t 强度破环。当金属在蠕变工况下 1 ：m | j ，m 然铝义心ji t _ 以小变，似足i i ij ：损伤的现，结构内部的应力将超过材车i 在 同样环境删的有效强度极限盯。根掘这种观点。结合弹性破坏理论，得到如下几种蠕 变损伤弛j 度】= n 沦1 2 5 1 ： 1 最大有效拉应力理论 该理论认为构件损伤达到一定程度时，其危险点处的材料将在最大有效拉应力所在 的界面发生破裂，即认为最大有效拉应力云是材料发生蠕变破坏的控制参数，不论应 力：i 犬态多复杂，只要构仆内某一点处的最人有效拉应力达到材料的有效强度极限值盯。 利料就发生破坏。 2 蠕变损伤最火仲长线应变理论 该王! i ! 沦认为利料所形成的损伤达到一定程度时，其危险j 量处的材料将沿最大仲长线 成变方向发生断裂，即假定垠大线应变是材料蠕变损伤破坏的控制参数。 3 ，蛾。避搦 j 最火仃效1 ) j 应力矾沦 该理论认为当构件材料在蠕变载荷以及温度等外部因素作用下所造成的损伤达到 一定程度叫，其危险点处的材料将会沿最大有效剪应力所在的截面发生屈服滑动而失 效。 4 蠕变损伤形状改变比能理论 浚理论类似于弹性理沦中第四强度理沦准则认为有效形状改变比能是引起材料蠕 d 南京3 - - 业大学硕士学位论文 变损伤砒坏的冈素。 从 = 而四个应力强度理论可以看出，只要把弹性强度理论中的主应力换为有效主应 力，强度极限换为有效强度极限即可建立起类似的损伤强度理论。 1 5 2 应变强度理论 尽管传统意义j - i l , j 寿命评估是基于蠕变破断强度的但实际上对构件最终失效起作 川的并不是蛹变成力，丽是蠕变应变所导致的扔始裂纹。因此真难有意义的失效判定准 则应该足j t 4 列蠕变成变量的限制，i 面h 从实际应川的f 1 度来看应变的测量也比应力 测量容易实现的多。凶此在设备服役一定年限厉，刘关髓部俺进行应变测量，另外结合 扎它的宏观舱测以及兀损探伤手段，便可最终确定：| 商温构件具休的损伤情况来。但是 只有少数的工厂是通过这种方法来评估剩余寿命的26 1 。因为按照不同的规定( 如美国 f 0a s m ec o d ec a s en 一4 7 、德困的t r d5 0 8 等) 所限制的蠕变应变量备不相同，而且缺 乏槲应的理跑依据，圜北电就无法有效地反映材料的劣化程度。 以荚的a s m e c o d e c a s e n 。4 7 规范为例i 1 ，它足世界上第一部有关高温结f ，4 设计 的标准，它，一j 以通过控制十应的应变员来f ! l 证商濉构什的安全性。仿照弹性应力分类准 则，该规范 也应变分为如l 炎7 1 ：d l i 以限制：列f - 渺j i 5 l 应力0 f 起的应交在设计寿命范围 i q ( 般为1 0 0 ，0 0 0 小寸) 不得超过1 ，对薄膜应力与弯胁应力共同作用下的应变不 得超过2 ，局部应变则不超过5 。首先把三维实体卜的应变分成薄膜应变、弯曲应 变、局部应变，然后再分别_ l f i 以限制，这1 , 1 , t i 唆法本身就不甚合理。因为应变分类准则本 来是属1 二壳体理论巾的概念，把这些概念直接j i l 于复杂的二维或三维实体结构上显然是 1 i 完全合适的【2 7 】。其次这咀的1 、2 、5 应变的规定也缺乏必要的理论依据更多 地是些经验的总结，可以院缺乏理论支持是该j 1 9 l 范最大的弱点。 熊九l 等i ”i 认为利利的十及限强度仃i 足一个仪j 。洁矗度再1 j 劓利性质相关的常量，并通 过试验褂到盘卜方 ! i ! ： 尚( 尚慨二卜邶r ， 式中o ，为不考虑截面收缩效应i b , 时的蠕变试验应力，e 为蠕变温度f 下材料发生蠕变损 伤前的弹性模量，s 二为断裂时的蠕变塑性应变值。刘( 1 3 ) 转换得 分掣一i 南 。， 第一章绪论 i i i 此j 吣，利荆址j l j f f , j j q , i 变j 衄避叶足。个t i j 溯j 立于材料他质，| = l | 关的常f i t ，阴此 a s m ec o d ec a s en 一4 7 把蠕变应变极限统一规定成一个容限值的做法值得商榷。 其实早在1 9 6 5 年，m o n k m a n 和g r a n t 就曾刘蠕变应变与破断寿命之川的关系进行 过究。他仃】认为列人多数制料而吉，蠕变第二二阶段占据了整个蠕变曲线的绝大翻5 分， 若忽略筇一与蒴兰阶段则可以近似地得到，= c 。，6 ，其中c 为m o n k m a n g r a n t 常 l | ( 2 。陔方秘形式简r p ，而日力一一定程度一【：有蒋扪当的精度，但是此后对于应变与寿 命问关系的研究则趋于减少，对蠕变寿命的关注也越来越集中于应力的研究。 j 打实上，捌划的破坏应变还与结构所处( i , j j l j j 状态有镦大的关系，采l i 不同的破断 h e 则，可以得到相麻的多轴廊力：i j c 念与破断应变问的关系。张旭红| 3 0 1 分别对基于k r 拟f i j 力牲的c a n e 乘髟 型f i ih a y l v t u s tj j l 刷型破l i ； 1 1 9 1 t j 进 j ：丁分丰j i ，发现当最人主应力卸 m i s e s 应力相差不大时，破断应变相差不大。 现在新的剩余新命预测力法破4 ：断地提山。比如川蠕变裂纹jr 裂和扩展方法来预示 高温部件的剩余寿命就已有很大的进展f 引i ，此外从蠕变损伤角度束预测高温部件剩余 寿命的研究也取得了一定的成果【” 。 建立蠕变损伤与剩余寿命间的定量关系是日觚世界各国对高温部件剩余寿命评定 的重要研究课题。定量测定蠕变损伤d 值，根据蠕变损伤与剩余寿命关系就能客观地 讦价高滞f j 什的剩余寿命，这足m j ；f 高温部件剩余寿命研究的发展趋势。 1 6 临界损伤因子的确定 理论- l 损伤因予d 是一个介于0 和1 之问的值，且当材料完全失效时，损伤达到 最人临界1 ：i ! 【：d ，= 1 。但在实际运用| f 1 | 1 ) 。通常都是不可能取到l 的。对于脆弹性材料， i l ig r i f f i t h 的裂纹临界k 度理沦可知，当裂纹失稳扩展l i ：j ，并不要求材料的损伤值达到 l 。另外从数值模拟的角度来看，当损伤值达到1 时，会导致求解的奇异性。j a l i s o n 和 h u l t 根据g r i f f i t h 断裂理沦提出对于脆弹性材料d ，= o 5 ：两对于粘塑性材 ：i ，l e m a i t r e 3 3 i 通过自己的研究认为d ，= o 8 5 。当d 。的取值非常接近于1 时，会导致程序收敛困难， 0 i 他浪3 6 1 汁孵资源，m ji n b l i 会州寿命的计算行显著影响，因此m u r a k a m i i 】等人从数 值计算的角度出发提出p ，= o 9 9 。刘彦”5 j 采用细观力学的基本思路，微观尺度上将材科 ：拭f ) j j 术坝协的世仑怵，废脱j tj 辽i ：仍将柑= = i 一作连续介质，通过简m 的体杉均 方法1 “1 构造出个与利料常数相关| f i 界损伤值表达式。凌样l ”1 采i = ie _ f 然频率法测得 6 南京工业大学硕士学位沧丈 舟仑盒4 - ： 4 l f 阳的i 界 1 ： j 伤为( ) 4 5 ，m 次丧i p 川缶抖坝f ，j 1 j i f 可以小j ：1 。 1 7 高温下补焊结构的损伤与寿命的研究 高温设舞及管道的制造常采f j 焊接： 艺，山此徊到的焊接件在高温条件一f i l e 役而成 为j i 火蚀的结m j 什之，悚i i l1j l ；k ? i 1 , j t ，毛牦傩和安个i j 铝服役则j 一的证常运i i 足至关 蘑要的。然丽，在大量的，叫一设备事故- h 焊接接头先行失效的例予已屡见不鲜。在高 温陶什失效引发的班敞巾，焊缝早期发生的失效常有报道3 9 。o ，“亿们4 ”。焊接接头作 为设备的薄弱环节已闷益为人们所注意，同时也已注意到在很多情况下，失效往往只是 局部性的，设箭的其它部分还有相当好的服役性能4 5 , 4 6 ，如果简单的整体报废只会造成 利料及资金的巨大浪徙。因此，采j j 局部补焊技术来对损伤程度，”重纳局部区域进行修 补可以在保缸构件安全运行的前提下，提高设备运行的整体经济效益避免整套设备更 换造成1 i 必- 出的浪吠。i 协濉l ? 补焊结构的h 琳性和_ f 命决定r 补： l l 修复的i i f , l i 性但足 以往刘焊缝高温强度的研究主要针对一次焊接1 4 74 8 柙邱5 1 5 2 5 3 1 ，对补焊的研究十分欠缺。 为此敞i 体i l | 德冈利剃试验i i ，心( m p a ) 牵头多个闻家参加，予1 9 9 9 年展开了对高温 f 补焊结构完拯性的形f 究。该项目为期4 年，集r | 材料、焊接、力学和：【厂操作方面的 专家 5 4 5 5 i ，对补焊规程、补焊：c 艺等一系列与补焊年订关的技术问题进行详尽的分析，目 标是在现有补焊规程的基础上提出一个更全面，更合理的指导性补焊标准来。需要指出， 现有对补焊问题的研究多还停留于焊后残余应力的分析上f 孙5 7 5 8 l ，鲜有针对接头寿命进 孙分 i 。这力丽址为缺乏补j 上i 后接头各分区的材料参数，卜一方i l l i l l _ 程上也往往 4 t 2 l - 焊简化成般的焊接，而忽略了补焊木身的复杂特性。h y d e 等通过单轴拉伸试验、 缺i1i 聃盒以破爪痕试聆测定丁c r m o v 掳岁i 及 h ：【i i l 接头嚣部分的车彳料参数m i ，井利用 有限元法刘接头各部分的寿命进行模拟1 6 0 i ，揭示了不同尺寸，不同材料参数刘失效形 式n 0 影日m 1 。仉是了1 1h y 【l e 他们的补焊研究f f l ，只足把补焊后的材料参数引入原有的焊 接模型t | 1 并没商考虑 卜烬前构1 ， = 服役历史刘补焊后的影响，冈此也就很难做到真i l i 的 寿命评估，得：u 延寿效率f l j 准确判断。 1 8 本文研究的目的和主要内容 水课题水源二j 二固家自然科学基金项目( 5 8 7 5 0 3 9 ) 以损伤理论为基掘l ；的赢温构件设 计原理。 7 第一章绪论 小0t i l l ：究| c j ：j 连? 芰，| 6 i 伤力 g ：l q t 沧、训刈尤际卡句什, t 1 1 ： l 、婀技术，建矗起高温构 件的应变容限准则和补焊修复的原则。 小殳凡f 水n q 硎f 究i ：作- i 硬包括下列| 土】容： ( 1 ) 绪论 汴先对网内外高温构f l ：设讣规范的现状进行介绍与评述，然厢引入损伤力学的方 法并简述其基本原理和实际应1 1 】，最后对困阳外寿命评价方法的应用范围和局限性进 行讨论。 ( 2 ) 蠕变损伤力程的有限元数值求解方法 利用用户予程序在a b a q u sc p 实现对改进型k a r c h a n o v r a b o t n o v 方程的模拟，探 时卜r 私i ! 序r 帅，j 步l t 7 裂相关的材料常数，g 、庐和p 是指定非均质损伤的材料常数。 把服从虎克定理的弹性应变和上述的孀变应变联赢得： 百d e o = 半| ( 鲁 戋( 孥 讣三彬s 。【( 刊叫_ d ) 1 】 i t j 以看出2 一1 5 和2 - 1 7 都是非线性方程，要通过i 三t f v a t h 应力应变的解析解极其困 难为了刘这类非线一i 1 - 蠕变损伤耦合的问题进行分析，各种数值计算的方法不断被提出， j 一i 仃 t 1 4 m 元法的发j 建最为迅速，而1 1 也已被i l l ：l 删足解决非线性蠕变损伤问题的一个重 要而有效的手段。 2 3 固体蠕变的有限元分析方法 2 3 1 弹性域中的有限元分析 l | r t l r r o i 。、c l o u g h 等人发展起来的有限元法通过对求解区域的离散化，把连续无 限自1 1 1 度0 u 题转化为离散的有限自山度问题，通过插值甬数计算 再个单元内场函数的 l ! 王，从而得到糖个求j 0 i | ! 域j ：i l j 解【”。利j j 这种方法，只婴离散后的坼元足够小，就可以 1 6 南京i 业大学硕士学位论文 1 电螅届j 邺k 的结粜l j 奠敛于精确孵。l | i 此川见，川订m ，c 法可以对那些没有或很难得到解 析解的n u 题进行精确的数值分 j i 。 有限元泱首先将结构离敞化成不同的单元，币元与单元间以+ 审点相连。在弹性范围 l _ l = 】，j 衄力应变l 。由小，f = ；! l 关系l ，表示为 口 = 【d k j ( 2 1 8 ) j l = 一m d 】为弹性矩阵。糟按甑接法选定位移模式，! j ! l j 结构位移场与单元节点位移问的关 系为： u = 【n ( 2 - 1 9 ) 式中 u ) 为位移场向量 n 】是坐标f 内函数，反映币冗的位移形态，被称作“形函数”。6 为单元1 ，点的位移向量。又l 司为应变与位移存铂：以下关系： e = f b ( 2 2 0 ) 魁：f i 二j 比物f , k ：f f j5 l - 儿为p 则山虚功原理可得： 【k 】 6 ) = p ( 2 2 1 ) 麒i i 【k 】_ 【k 】 ( 2 - 2 2 ) 【k 】= i ，【b 】i d t b i a v ( 2 2 3 ) 式中 k 】为单元刚度矩# 1 ：， k 为总刚度矩阵， b 】为应变矩嘶。，( p 为节点载荷向量。通 过求解f 数方程纽( 2 - 2 1 ) 即可求得弹性应力解与应变解。 2 3 2 含蠕变应变的有限元分析 嚣考虑m 有蠕变变形的情况，则 e 。) = e j - e 。 ( 2 2 4 ) 式巾上标e 代表棚应的弹性分量，c 代表年日应的蠕变分量。把( 2 2 4 ) 分别代入( 2 1 8 ) 和( 2 - 2 0 ) t h 得 p 2 = d 】( f 卜) ( 2 2 5 ) 夺。) = b h e 一 e ) ) ( 2 2 6 ) 这样( 2 - 2 i ) 就可以表达成含有蠕变项的i f 衡方程： 【k 】( 【b 】( f 一 e ) ) = p ( 2 2 7 ) f 于( 2 2 7 ) 中的t 。) 与时问相关，而邑与它牛f i 耦合的损伤变量d 也是与时问相关 1 7 第二章蠕变损伤方程的有限元敷值求解方法 的l l i ? 陀j 逛嘬内此n 题嘤ie 舟弹戏，| l 复杂的彩。姗变损伤存小鹰变时属于物娜非线 r ：问题，到大应变时则是儿何与物理的双巫非线性问题，这也使得我们必须采月j 睾l 对 非线性问题求解的方法来对其进行分析。 2 3 3 非线性问题的n e w t o n 解法 在有限单元法巾捕述物体离散后的非线性特性，可以用下面这个平衡方程式表示： ，“( “”1 _ 0( 2 - 2 8 ) 式中，”是与第n 个变量剥应f i q g y - y s ，1 1 ”表示第m 个变量的值。由于所要求解的蠕 变损份问题与_ 削密切相关，因j i e 求解的过程必然是山一系列“小”的增量所构成，咀 奉现州“u 变量的标尺作j 1 。解决这类问题的关键足如何在每一个增量内对离散的j ，铂方 槲进行求肼以及j f l j 姒步的人小应该如决j 迂。 剥j ：( 2 - 2 8 ) 式的非线性方程，假设第i 步迭代后可获得的近似解为y 。令离散 方程的耥确解与近似解之问的差值为c z ，珏 ，“6 ，+ c 兰) = 0 ( 2 2 9 ) 方程左端在近似解”? 。处按泰勒级数展开得 f w ) + 等阱。+ 蒜t l 揣+ “= 。( 2 - ，。，d c ，口 如果“? 是一个闭合形式的近似解，那么误差c 品不会太大，忽略：二阶以上的偏导数， 得到如下的线性方程： k i ”c i = 一“ ( 2 3 1 ) 其t l t , 1 9k ，：霎；e ；，) 即为雅可比矩阵，并且曩“：尸一( “r ) 。这样第f + 1 个近似解可表 示为： “篇= “? + c 品 ( 2 3 2 ) 上式即为线性化后的迭代公式。按该式进行迭代。产生的一系列近似解将不断逼近 j 精确解，这一过程被称作是非线性方程的n e w t o n 解法。通过上述非线性问题的线 性化，就ir j 咀使基于线弹性域的有限元法推广到1 l 二线性系统中去。但是需要指出耍使 1 述f l ；j n e w t o n 法能收敛必须保证侮个f ”和c 。n 充分小。；i j n e w t o l l 法对大型非线l l i - f i 限j 系统进 j ：求解，往住会难以获得迭代所需f 一雅i i r 比矩阵，有寸该矩阼甚至尤法盼闭 1 8 南京工业大学硕士学位沦文 介形j = i = 给，这州就必须以数f i l ：【训算的方法来对陔j , i 。处理，而这通常足个非常费时 的过程。，j 外由j 二这利，方法在每次迭代。i j 都要重组和i , i 算相应的雅可比矩阵，对于有限 的订算资源而育，该方法混得： 常昂贵。因此讷多改进的非线性求解方法被提了 束 1 其一f j l i ： i u lj 的足改进型n e w t o n 法。该法列一j ：适艘非线性问题( 如塑性软化等) 非 常适用，但刁i 宜用于：怍线性程度高的场合。另外的一一种方法是准n e w t o n 法，该法适用 j ：人多数m 邀的求斛但灶在商度1 1 线性l d 题上，使川该法j 厶到i i ，衡收敛所需的迭代次 数要大予n e w t o n 法。尽管在存储牙f l 刊比矩l l , f l l , l - 准n e w t o n 法利h 1 了额外的算法来抵 消过人的行f i f 空i l j ，但总的说来，m 这点1 - 7 1 0 v 比n e w t o n 法有优势。i x l l l d f ；l 于非线性 程度高的系统n e w t o n 法应是首选| 1 j 算法，特别是在计算机飞速发展的今天额外的计 算量完全可以山硬什的性能来抵消。 2 4a b a q u s 中本构模型的用户子程序设计 a b a q u s , 5 l i k s 公司( 观政名为a b a q u s 公司) 7 1 发设汁的通j l 】有限元软件， 具有卓越的模拟- 陆能。它捌有大量不同种类的单元模型、材 ： 类型、分析过程，可以分 i 复杂的川体力0 ： l l 结丰句力学系统，从人型线性结构分析到商度一眼线性的材料变形等各 利，力学m 题，是国际上公认的解扑线性问题屎好的商用有限元软件之一。除了多方面的 先进功能外a b a q u s 在使用的容易度、可靠性、扩充性、计算效率上也是首届一指 的，特别是允许使4 j 者附加箨种相应的子程序，极大地提高了解决问题的灵活性，同时 也大大扩充了a b a q u s 的功能。 在a b a q u s 6 2r h 抛供了多达4 2 个川户r 牲序接，1 3 个应用程序接口”“，f f j j 、t 除了可以使用这些子程序来定义包括边界条f l ：、载荷条件、接触条件、材料特性等一 系刈l l 编咎敝以外，诬f i l l 4 ：i j , ! tj j ljj 、r w f 和je 它心川软什进行数槲的交换