复杂三维残余应力场中裂纹扩展规律及抑制方法研究

焊接过程不可避免地在焊缝和热影响区产生复杂的三维残余应力场和微观缺陷。工作在复杂载荷和服役环境中的焊接件，在工作载荷和残余应力的联合作用下，其中的微观缺陷就会萌发和扩展为裂纹，甚至导致突发性灾难性事故。因而亟待研究复杂残余应力场中裂纹的扩展规律，探索抑制裂纹扩展的残余应力分布及其实现方法。.本项目以传热学、计算力学、焊接工艺学、断裂力学等多学科理论为基础，以有限元方法为工具，结合实验技术，建立预测裂纹扩展行为和残余应力演化行为的分析模型，研究裂纹在三维残余应力场中的扩展规律，揭示残余应力与裂纹扩展的耦合效应，阐明残余应力对断裂失效的影响机制，建立工艺参数、残余应力、裂纹扩展的关系规律，获得有效控制残余应力及裂纹扩展的方法和技术，为核电、能源等领域关键装备焊接件的安全设计、长寿命制造、以及现有寿命预测理论的完善提供有力的理论基础和实践依据，并将产生巨大的经济效益和社会效益。

本项目针对焊接过程不可避免地在焊缝和热影响区产生的复杂三维残余应力场对裂纹缺陷断裂行为的影响开展了理论和实验两方面的研究。主要研究内容包括：（1）建立了标准紧凑拉伸试样的三维断裂力学扩展有限元模型，预测了应力强度因子k和J积分，以及裂纹尖端附近的应力应变场；搭建了数字图像相关应变测试系统，对模型进行了理论和实验验证；（2）解决了焊接力学模型与断裂力学模型耦合这一关键问题，建立了预测残余应力场中裂纹扩展行为的分析模型，研究了裂纹在三维残余应力场中的扩展规律；并对模型进行了实验验证；（3）在此基础上研究了残余应力场与裂纹扩展的耦合效应，研究发现残余应力场与裂纹扩展的耦合效应取决于残余应力和工作应力的相对大小，而且残余压应力有助于抑制裂纹扩展；（4）根据上述发现提出了抑制裂纹扩展的方法与技术。研究结果有助于深入理解残余应力对断裂失效的影响机制，并对焊接件的安全设计、长寿命制造具有重要价值。