含缺陷预应力超高压结构的损伤失效与安定性评估研究

与一般承载高压容器不同，超高压结构制造时采用预应力技术，使结构本身具有一定的残余应力来抵消部分加载应力，以提高结构的承载能力。在高温高压耦合冲击载荷下，机械、热等动载荷对结构残余应力的分布规律和衰减规律有很大的影响，特别是有裂纹缺陷时，动载荷和残余应力的耦合状态会影响裂纹的启裂、扩展与失稳等损伤演化过程，自的高压结构会出现新的自增强效应，其机理尚在探索中。本项目根据国内外研究现状和存在的问题，从结构极限和损伤力学的理论出发，通过理论建模和模拟实验，研究高温高压耦合冲击载荷下，自增强预应力超高压结构损伤的自增强机理，分析自增强残余应力的衰减和稳定规律，分析预应力下，结构载荷、尺寸、材料特性、断裂韧性等对裂纹长度、扩展速率、失效路径等缺陷失效敏感性，提出损伤失效的判定准则和安定性条件，为科学合理评估自增强高压结构的制造和使用提供技术支持。

本项目以自增强高压结构在火炮炮管和石油化工的工程应用为背景，结合结构极限理论和损伤力学理论，研究高温高压耦合冲击载荷下自增强残余应力的分布、衰减规律和自增强效应，分析预应力对缺陷失效敏感性因素的动态影响；研究复杂载荷下，预应力对自增强结构的裂纹起裂、增韧止裂与扩展的影响；进行含局部缺陷的自增强高压结构承载极限与安定性计算，为科学合理评估自增强高压结构的制造和使用奠定基础。.建立了典型自增强预应力超高压结构的载荷特性、材料特性和结构缺陷特性数据资料库，比较分析了国内外低合金超高压结构钢对身管使用环境的适应性。以30SiMnMoVA、35CrMnSi低合金钢为典型超高压结构材料,针对身管所承受的瞬态载荷，建立了含镀铬层的考虑射击加载、冷却的温度分布变化的规律，基于弹塑性理论、损伤与断裂力学理论和试验数据，进行典型自增强结构材料的本构关系的研究，建立了高温高压耦合冲击载荷下，含缺陷三维自增强预应力超高压结构残余应力的分析计算模型，分析了自增强残余应力的分布规律、衰减规律与稳定性条件。应用三种高效率求解含缺陷自增强厚壁圆筒塑性极限载荷的有限元方法，建立了内壁含椭圆形凹坑的厚壁圆筒有限元模型，模拟厚壁圆筒自增强过程，采用三种方法，用有限元方法计算极限载荷，得到不同尺寸缺陷的极限载荷，分析表明不同尺寸缺陷对极限载荷的影响规律。通过对比自增强与不增强，证明自增强对厚壁圆筒极限载荷影响很小。. 建立温度和压力耦合作用下的自增强损伤结构的三维应力强度因子的计算模型，进一步分析了含预应力情况下应力强度因子的变化规律，验证了预应力对抑制裂纹扩展的有效性。开展了超高压结构爆炸等强动载条件下的材料损伤失效分析。结合R6和GB/T19624-2004的评定技术，考虑预应力下裂纹群之间的相互影响，进行了身管疲劳寿命的分析计算，采集扩展有限元法（XFEM）建立了身管内壁轴向径向裂纹模型，仿真计算其扩展的过程。分析预应力下，结构载荷、尺寸、材料特性等对裂纹缺陷的影响，在失效评定图上得到了可供自增强身管结构进行失效判定的分布区间曲线。