高温结构多裂纹干涉下裂纹扩展行为表征研究

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在高温结构件中,裂纹通常成对或多个存在,并分为表面和埋藏两种状态。含裂纹构件在服役过程中,多裂纹之间的干涉效应不仅会加速裂纹扩展,还会改变裂纹形状使多个裂纹合并成更大尺寸的裂纹,缩短构件的服役寿命。本文以承受拉伸载荷作用下的两个不等大埋藏和表面裂纹为研究对象,将蠕变损伤模型编写到USDFLD用户子程序中,利用有限元分析软件ABAQUS,通过单元失效技术模拟了埋藏和表面多裂纹干涉条件下的裂纹扩展行为,探究了高温蠕变下不同裂纹尺寸、残余应力对埋藏、表面多裂纹干涉效应及裂纹扩展行为的影响。此外,还开展了高温蠕变多裂纹干涉下的裂纹扩展试验对有限元分析进行验证。有限元分析表明,裂纹深度(a/t)对埋藏裂纹扩展方向的影响较小,而裂纹相对尺寸(c2/c1)、裂纹相对距离(s/c1)、裂纹形状比(a/c)对埋藏裂纹扩展方向影响较大;但表面裂纹扩展方向却与s/c1、c2/c1的关系不大,反而受a/t和a/c的影响较大。当裂纹尺寸满足一定条件时,裂纹扩展方向由深度朝裂纹相靠近的方向转变。对于裂纹扩展速率,裂纹形状比、裂纹深度的增大和裂纹间距离的减小都促进多裂纹的扩展,裂纹扩展速率放大倍数(β)最大值在埋藏情况下为4.28(a/t=0.5),表面为12.49(a/t=0.8),且在裂纹尺寸相同的条件下,表面多裂纹的干涉程度最大为埋藏裂纹的2倍。残余应力的存在会加速多裂纹之间的干涉效应,随着残余应力的增加,多裂纹干涉水平也会明显增加。综合考虑多裂纹干涉下裂纹扩展行为的变化,本文提出了基于蠕变干涉因子的多裂纹合并判定条件:埋藏情况下,当蠕变干涉因子超过1.15;表面情况下,当蠕变干涉因子超过1.27;应当考虑多用一个新的大裂纹等效替代两个干涉的裂纹,否则多裂纹仍按照单裂纹分析处理。最后提出新的裂纹合并准则,即新的等效大裂纹尺寸为:2c=?creep*max(2c1,2c2),2a=max(2a1,2a2),可以降低预测结果的保守程度。
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