缺口三维应力应变场与材料性能耦合作用及其对断裂影响研究

According to the developments of academic subjects and the key technical problems to have to be solved in the design, manufacturing and security of the important machines and equipments in China, the three dimensional fracture behaviours of the materials for the important machine and equipment structures are systematically investigated by combining the academic subjects of mechanics and material in this research. The coupling effects of the three-dimensional elasto-plastic stress and strain fields, geometric configuration with the mechanical properties of materials and their influence mechanism on the fracture of the notch are investigated by theoretical analyses, numerical simulations and experiments. The theory and the method for analyzing the fracture considering the coupling effects of mechanical behaviour and material properties are systematically developed beyond the limit of the existing fracture theories. The methods for describing the fracture characteristic parameters based on the coupling effects of stress, strain fields and material behaviours are constructed. The coupling relationship of the three-dimensional elasto-plastic stress field, strain field and the mechanical properties of materials and their evolution in the three-dimensional elasto-plastic stress and strain fields of the notch are described and simulated for the different materials. The fracture criteria based on the coupling effects of the stress field, strain field and the material properties are introduced to provide the theoretical foundation for the design, manufacturing and security of the important machines and equipments in China. New ways to improve the structural strength and reliability are investigated. This research is very important in the development of the academic subjects and in guaranteeing the safety and reliability of the important machines and equipments in China.

以学科发展和我国重大机械装备设计、制造和安全保障中急需解决的关键技术问题为背景，针对重大机械装备结构材料的三维断裂行为，对其所涉及的力学、材料学跨学科的前沿问题开展规范化、系统化的深入研究。通过理论分析、实验研究和数值模拟，研究缺口三维弹塑性应力场应变场、几何构形和材料力学性能的耦合关系及其对断裂的影响机理。突破现有断裂理论的局限性，系统地发展力学行为和材料性能耦合作用的理论及方法，建立基于应力场、应变场和材料性能耦合作用断裂特征量的表征方法。描述不同性能材料三维弹塑性应力应变和材料性能的耦合关系及其在三维弹塑性应力应变场中的演化规律。提出基于应力、应变和材料性能耦合作用的断裂准则，为我国重大机械装备的设计、制造和安全保障提供理论依据，探索提高结构强度和可靠性的新途径。本研究不仅对学科发展具有重要意义，也对保证我国重大机械装备安全及可靠运行具有重大的现实意义。

针对重大机械装备结构和重大工程结构的三维断裂行为，通过理论分析、实验研究和数值模拟，研究缺口三维弹塑性应力场应变场、几何构形和材料力学性能的耦合关系及其对断裂的影响机理。本研究的主要工作如下：.采用理论研究和数值分析，研究了弹塑性应力状态下缺口应力集中高应变区离面应力约束和三维应力应变场的分布规律以及缺口几何构形的演化规律。分析了材料的力学性能尤其是和变形有关的力学参数对缺口弹塑性应力应变场的影响，对不同力学性能材料的含不同形式缺口试样的弹塑性应力应变场以及断裂过程和破坏形态进行了有限元分析和实验研究。.基于传统空穴理论，多孔塑性模型，损伤力学模型，以空穴成核、扩展、聚合机理，以空穴成核、扩展和聚合三个过程的控制函数为依据提出了新的韧性断裂准则。新的韧性断裂准则考虑了材料韧性断裂时等效应变、等效应力和Lode角的关系。通过对混凝土破坏的微观机理和宏观实验现象的系统研究，针对高温后混凝土在复杂应力状态下的破坏行为，提出了一个新的混凝土破坏准则。该准则考虑高温后混凝土多轴强度的下降，用一个三次函数去描述混凝土破坏机理准则中的材料常数和温度之间的关系，可准确描述高温后普通混凝土和高强混凝土的多轴强度。.进行了高性能管线钢基本力学性能试验，完成了热挤压三通进行有限元分析，分析了三通的应力、应变分布规律及其影响因素。基于复杂应力状态下材料的破坏准则系统分析了大口径热挤压成型三通爆破压力与热挤压成型三通几何参数、缺陷尺寸和材料性能等的关系并拟合出相应的计算公式可供工程设计时使用。.通过理论研究、数值分析，重点研究材料在不同条件下的破坏形态及破坏规律，分析影响材料破坏的主要影响因素及其耦合关系，提出的基于应力、应力场和材料性能耦合作用复杂应力状态下的材料破坏准则，可为我国重大机械装备、重大工程的设计、制造与安全保障提供理论依据。