【摘要】：近年來(lái),高壓、大口徑輸送管道的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)管線鋼的強(qiáng)度和韌性提出了更高的要求。管道焊接過(guò)程中,焊縫與母材很難做到同質(zhì)等強(qiáng)度,因而一般焊接過(guò)程都存在強(qiáng)度失配問(wèn)題。不同強(qiáng)度匹配對(duì)焊接接頭的斷裂行為具有顯著影響,因此,研究強(qiáng)度失配對(duì)管道焊接接頭斷裂過(guò)程的影響具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文采用有限元數(shù)值模擬的方法研究強(qiáng)度失配約束對(duì)管線鋼斷裂韌性及韌性裂紋擴(kuò)展阻力曲線行為的影響。首先,以彈塑性斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ),基于細(xì)觀塑性損傷模型,采用ABAQUS有限元軟件對(duì)管線鋼斷裂力學(xué)試樣,即單邊缺口彎曲(SENB)和單邊缺口拉伸(SENT)試樣、寬板(WP)試樣、修正邊界層(MBL)模型以及周向表面裂紋管,在I型裂紋擴(kuò)展下的斷裂阻力曲線進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算。研究表明:試樣幾何形式(以幾何約束Q參數(shù)來(lái)定量表征)對(duì)斷裂韌性影響顯著,隨著Q值增大,斷裂韌性降低;相比其他試樣,SENT試樣具有與管子更為接近的斷裂阻力曲線行為。通過(guò)對(duì)SENB和SENT試樣的斷裂韌度(裂紋尖端張開位移,CTOD值)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試,進(jìn)一步驗(yàn)證了有限元模擬計(jì)算的結(jié)果。其次,采用SENB、SENT以及表面裂紋管研究了強(qiáng)度失配約束對(duì)管線鋼韌性斷裂行為的影響,結(jié)果表明:強(qiáng)度匹配系數(shù)My(定義為焊材與母材屈服強(qiáng)度比值,本文取低配到高配范圍0.8~1.3)對(duì)斷裂韌性的影響顯著。隨著強(qiáng)度匹配系數(shù)增加,裂尖失配約束M減小(由正值轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值),斷裂韌性增大。且隨著裂紋擴(kuò)展,失配約束M在相似的范圍內(nèi)變化,表明強(qiáng)度匹配系數(shù)對(duì)阻力曲線的影響程度與裂紋擴(kuò)展量無(wú)關(guān)。另外,標(biāo)準(zhǔn)SENB試樣的結(jié)果相較SENT更加保守。文中同時(shí)對(duì)不同鋼級(jí)(X65,X80以及X100)的管線鋼進(jìn)行分析,結(jié)果表明失配約束對(duì)斷裂韌性的影響規(guī)律一致,即高配且匹配系數(shù)越高時(shí)焊接接頭的斷裂韌性及阻力曲線越高;隨匹配系數(shù)增加,失配約束M減小,管子的斷裂韌性增大;不同強(qiáng)度匹配引起的失配約束差異隨裂紋擴(kuò)展而增大,且隨著鋼級(jí)的升高,失配約束的影響程度增大。最后,對(duì)大范圍屈服條件下管線鋼焊接接頭強(qiáng)度匹配對(duì)斷裂韌性影響的三維效應(yīng)進(jìn)行了有限元模擬計(jì)算分析。結(jié)果表明:對(duì)于3D SENB,沿其厚度方向上各面的CTOD-CMOD(Crack Mouth Opening Displacement,裂紋嘴張開位移)曲線存在明顯的3D效應(yīng),隨著強(qiáng)度匹配系數(shù)增加,CTOD-CMOD曲線的3D效應(yīng)增大,距離對(duì)稱面越近的面CTOD-CMOD曲線相對(duì)越高。不同強(qiáng)度匹配系數(shù)下試樣對(duì)稱面上的CTOD-CMOD曲線以及裂紋擴(kuò)展阻力曲線存在顯著差異,隨著強(qiáng)度匹配系數(shù)增加,CTOD-CMOD曲線降低,阻力曲線升高。對(duì)于SENB以及SENT試樣,通過(guò)2D平面應(yīng)變模型和3D實(shí)體模型計(jì)算得到的裂紋擴(kuò)展阻力曲線是相似的,說(shuō)明在對(duì)管線鋼進(jìn)行斷裂韌性及阻力曲線評(píng)估時(shí),可以采用2D平面應(yīng)變模型代替3D實(shí)體模型,進(jìn)而在保證準(zhǔn)確性的同時(shí)亦可降低有限元建模和計(jì)算的難度,提高運(yùn)算效率。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TG457.11

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2534746