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Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹在16MnDR制压力容器壳体中的研究

作　者: 孙晓菊
导　师: 李慧芳
学　校: 北京化工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: Ⅰ+Ⅱ复合裂纹 裂纹扩展 数值模拟 断口分析 路径预测 压力容器
分类号: TH49
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


因裂纹扩展而造成构件断裂的情况是工程材料的主要失效形式,常见的裂纹破坏主要表现为构件受到外力作用时裂纹的扩展。裂纹分为三种基本形式：Ⅰ型张开型,Ⅱ型滑开型和Ⅲ型撕开型,而工程中的裂纹大多是由以上三种基本形式组合成的复合型裂纹,因此复合型裂纹问题的研究受到了广泛的关注。本论文实验研究了16MnDR材料试件中Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹的扩展,并以此为基础模拟了Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹在薄壁压力容器中的扩展路径。首先,设计出中心含有斜裂纹的实验试件,并进行了Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹的疲劳扩展实验,研究了裂纹的扩展速率并观测了裂纹的扩展路径,特别关注了裂纹的转型扩展情形；采用有限元分析软件ANSYS计算出裂纹尖端的应力强度因子并模拟了裂纹的扩展路径。结果表明,无论初始倾斜角是多大,Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹均会发生转型扩展且新生裂纹的扩展方向垂直于载荷方向,即转型后的裂纹为Ⅰ型裂纹。其次,对实验试样进行了金相分析和断口分析,结果发现裂纹的扩展是穿晶扩展且其扩展路径没有明显的分支,但在裂纹尖端区域材料有一定的损伤；在裂纹扩展区有明显的疲劳辉纹,而断裂区的微观形貌主要为韧窝花样。这些均表明,在16MnDR材料的试件中Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹向Ⅰ型裂纹转型扩展,并表明该材料具有很好的韧性。最后,基于实验得到的裂纹扩展判据和扩展速率,模拟了双向应力作用下Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹的扩展路径,由此分析了Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹在压力容器壳体中的扩展,研究了影响裂纹扩展速率和扩展路径的压力容器结构因素,得到了裂纹尖端位置与载荷循环次数之间的关系,从而有助于采取措施防止裂纹扩展。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章 绪论  13-19
  1.1 课题来源及研究意义  13
  1.2 研究结果综述  13-16
    1.2.1 裂纹类型简介  13-14
    1.2.2 国内外裂纹研究综述  14-16
  1.3 本论文研究的主要内容  16-19
第二章 16MnDR材料中Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹的疲劳扩展研究  19-43
  2.1 Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹的疲劳扩展试验  19-29
    2.1.1 试验操作流程  19-23
    2.1.2 试验数据处理方法  23
    2.1.3 试验结果与分析  23-29
  2.2 Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹扩展的数值模拟  29-36
    2.2.1 ANSYS分析软件简介  29-30
    2.2.2 单元选择与模型建立  30-32
    2.2.3 模拟结果分析  32-36
  2.3 结果分析  36-41
    2.3.1 不同倾斜角裂纹应力强度因子变化幅的对比  36-38
    2.3.2 Ⅰ型和Ⅱ型成分在有效应力强度因子中的比例分析  38-40
    2.3.3 裂纹疲劳扩展速率公式拟合  40-41
  2.4 本章小结  41-43
第三章 Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹的金相试验及断口分析  43-57
  3.1 Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹的金相试验  43-46
    3.1.1 试件选取  43
    3.1.2 试验设备  43-44
    3.1.3 试件表面未腐蚀的扩展路径  44-45
    3.1.4 试件表面腐蚀后的扩展路径  45-46
  3.2 Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹的断口分析  46-54
    3.2.1 试样选取  46
    3.2.2 试验设备  46-47
    3.2.3 试样制备过程  47
    3.2.4 试样断口分析  47-54
      3.2.4.1 试样的宏观断口分析  47-48
      3.2.4.2 试样的微观断口分析  48-54
  3.3 本章小结  54-57
第四章 含裂纹薄壁圆筒形压力容器裂纹扩展路径的数值模拟  57-71
  4.1 研究意义  57
  4.2 数值模拟分析  57-69
    4.2.1 模型的建立  57-58
    4.2.2 关于新萌生裂纹启裂角α的分析  58-63
    4.2.3 关于裂纹扩展路径的分析  63-66
    4.2.4 其他因素对裂纹扩展情况的影响  66-69
  4.3 本章小结  69-71
第五章 总结与后续研究  71-73
  5.1 关于Ⅰ+Ⅱ复合型裂纹在16MnDR中扩展情况的实验及模拟研究  71
  5.2 关于含裂纹薄壁圆筒形压力容器裂纹扩展路径的数值模拟研究  71
  5.3 研究展望  71-73
参考文献  73-77
致谢  77-79
研究成果及发表的学术论文  79-81
作者和导师简介  81-83
附件  83-84

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 气体压缩与输送机械 > 压力容器
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