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石油、化工、能源等工业领域工艺和装备的高温、高压和大型化发展趋势,使得蠕变、疲劳损伤成为设备失效的主要机制,科学评价蠕变疲劳等复杂条件下重大装备的完整性日益受到人们重视。
本文以与时间相关的破坏理论为基础,重点针对高温下多裂纹干涉模型及剩余寿命评定方法开展了研究,主要研究内容和结论如下:
1)研究了蠕变机制下裂纹群干涉效应与断裂参量计算方法。通过对几种典型裂纹的研究分析,表明高温断裂参量C*的干涉效应较应力强度因子K的干涉效应更为显著,并且参量C*的干涉效应与材料的性能有关,尤其是与蠕变指数n有关,在裂纹间距相同的情况下,随着n的增大而增大。同时,利用最小二乘法,回归出两个裂纹之间、浅表裂纹以及表面裂纹之间在高温蠕变机制下裂纹干涉因子的表达式,为高温蠕变机制下多裂纹的安全评定提供了理论依据。
2)建立了考虑蠕变机制的裂纹群合并准则和规则化方法。通过对不同机制下多裂纹处理方法的研究,提出了高温蠕变机制下多裂纹处理准则。同时,给出基于J积分的高温构件多裂纹间干涉失效判定规则,弥补了目前处理方法存在的不足,是对当前评定规范的一个重要补充。
3)研究了蠕变—疲劳交互作用机制下的断裂模型和寿命预测方法。通过对断裂力学参量在复杂载荷情况下适用性的考核,以及对R5、BS7910、A16、EPRI和JNC中的蠕变—疲劳机制下裂纹扩展模型的分析比较,提出了一种修正模型。同时,建立了一种实际缺陷的简化处理规则,并给出了一套含多个缺陷高温构件剩余寿命预测方法。
4)建立了高温含缺陷结构剩余寿命预测软件和平台。开发的软件平台实现了与时间相关断裂力学理论、材料库、工况库和知识库的有机结合,不但适用于单纯疲劳和单纯蠕变裂纹扩展,还充分考虑蠕变—疲劳交互作用的影响,并嵌入了多裂纹合并与干涉判定的理论成果,解决了现有多裂纹处理方法中在线弹性机制下的过于保守性和在高温蠕变机制下的不保守性。
同时,针对高温含缺陷结构剩余寿命安全性评定方法提出了两级评定技术路线,用户可根据所评定设备重要性和安全性要求的程度,选用不同级别的评定方法进行评定。