多因素耦合下含缺陷结构概率断裂分析与安全评定研究

Based on ubiquitiform theory, will study the crack propagation features under complex loading, derive the complexity of fracture face ubiquitiform in cracked structure under mixed loading mode when loading amplitude comply with given probability distribution, provide the correlation between fractal dimension of fracture face and material fracture mechanics properties such as fracture energy or fracture toughness, and propose damage criteria of crack propagation under ubiquitiform theory combined with probability condition. Adapt Artificial Neural Network technology to build the neural network analysis model, study the fatigue propagation of crack under multi-factors effect, provide fatigue life prediction for pressure vessel. With the ultrasonic non-destructive detection results for inner defect distribution of pressure vessel and 3D fracture configuration of material, and considering the combined action of mechanical properties, loading condition, defect distribution and temperature effect, make use of probability analysis method, build the multi-factors coupling probability analysis model and provide parameter prediction of failure. For pressure vessels in real application, will propose safety assessment approach on the basis of ubiquitiform theory and probability fracture mechanics. The research in this project is a new exploration of fracture analysis for structure with defect, will establish a solid theory foundation about life time prediction for pressure vessel with defect under multi-factors coupling effect, and provide reliable guarantee on theory for safety assessment of pressure vessel.

基于泛形理论，研究裂纹结构复合型加载时裂纹扩展特征，推导复合型加载模式下载荷幅值满足给定概率分布情况时裂纹结构断面泛形的复杂度，给出断面分形维数与断裂能、断裂韧性等材料断裂力学特性参数之间的关系，在泛形理论体系下结合概率条件给出裂纹扩展的破坏判据；采用人工神经网络技术建立神经网络分析模型，研究多种因素影响下裂纹的疲劳扩展问题，给出压力容器疲劳寿命预测；结合超声探伤得到的压力容器内部缺陷分布和材料破坏的三维形貌测定结果，考虑材料的机械性能、载荷工况、缺陷分布和温度效应的共同作用，采用概率分析方法，建立多因素耦合的概率分析模型，给出其失效破坏的参数预估；针对实际应用中的压力容器，提出基于泛形理论和概率断裂力学的安全评定方法。本项目的研究是对缺陷结构断裂分析的新的探索，将为含缺陷压力容器在多因素耦合作用下的使用寿命预测奠定坚实的理论基础，为压力容器的安全评估提供可靠的理论保证。

本项目主要研究了材料疲劳破坏的本质特征，分析了疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展的破坏机理，提出了采用塑性应变能密度作为疲劳破坏的判定指标，给出了相应的计算公式，并进行了实验验证，取得了较好的预测结果；另外，采用泛形理论研究了16MnR钢的疲劳破坏特征，分析了材料产生疲劳破坏的细观机理，计算了泛形理论下疲劳裂纹长度和疲劳寿命的关系，对16MnR钢的疲劳寿命进行了准确的预测。研究了筒体内压、惯性力及内外温度差对裂纹尖端应力强度因子的影响。建立多因素耦合的概率分析模型，将裂纹深度作为随机变量，采用 Monte-Carlo 方法计算了含轴向表面裂纹压力容器的失效概率。基于泛形理论，给出了考虑裂纹泛形特征的的断裂参量，包括：泛形临界应力、泛形应力强度因子、泛形裂纹扩展力和泛形断裂能，实验结果表明，采用泛形理论，可以得到更加准确的分析计算结果。材料断面的不平整是由于材料内部的非均匀性所造成的，而断裂面的形貌反映了材料本质特征，断裂面的泛形复杂度可以表征其形貌特征，本研究给出了断口形貌泛形复杂度的计算方法，为从细观的角度分析材料本质特征提供了基础保证。考虑材料的非均匀特性，假设材料参数服从Weibull统计分布，模拟I型裂纹的扩展路径，得到了与实验基本一致的结果，分析结果表明不同的非均匀参数将得到不同的裂纹扩展形貌，其泛形复杂度也各不相同。通过泛形断裂能的实验研究表明，采用泛形理论计算得到的断裂能，与传统断裂能有较大差异，但与材料的断裂韧性比较接近，为以后进行断裂韧性测试研究提供了一种新的思路。研究功能梯度材料结构中多种表面波传播的频散和衰减特性，分析不同梯度参数对频散及衰减的影响规律，为采用超声检测方法得到材料内部缺陷的测试奠定理论基础。本项目从多个方面研究了材料的疲劳、破坏、以及裂纹扩展的本质特征，采用泛形理论给出了相应的分析结果，可以为含缺陷压力容器在多因素耦合作用下的使用寿命预测奠定坚实的理论基础，为提高压力容器的有效使用提供理论保证。