腐蚀裂纹扩展过程中微观-介观-宏观的多尺度关联

Pressure vessel with crack may cause many accidents, which seriously effects the normal production of company and personal safety. Life prediction technology based on the kinetics of crack propagation is very significant for safe operation, life management and the future possible lifetime extension task of pressure vessel. The objective of this research is to understand the multistate correlation during crack propagation. Therefore, multistate crack growth kinetics model will be established through isolating micro, meso parameters from macroscopic fracture mechanics model based on local chemical environment and stress and strain response of the crack tip. The key of the research is to establish the crack growth rate model associated with the cracking time and stress and strain response. Based on this model, it can be easy to analyze the association of micro、meso and macro scales. All of them can reveal kinetics mechanism and rule of development of crack growth. During this research, molecular dynamics, cellular automata and finite element method will be used for the numerical simulation. Furthermore, corresponding experimental researches will be carried out to analyze and verify the simulation results. Overall, a relatively systematic understanding of multi-scale characteristics of crack propagation can provide theoretical and technical support for the safe operation and life extension of corresponding equipments.

压力容器由于裂纹引发的事故数不胜数，严重危及正常生产和人身安全。基于裂纹扩展动力学的安全评估对确保压力容器的安全运行、寿命管理以及将来可能的延寿任务都有非常重要的意义。本研究以“裂纹动态扩展中的多尺度关联”为总目标,将从裂纹尖端局部化学环境和应力应变响应出发，在已有的宏观断裂力学模型上分离出微观、细观参数,建立涉及环境-材料的微观-介观-宏观相关联的多尺度裂纹扩展动力学模型；重点是要把裂化时间与裂纹尖端的局部应力-应变状态关联在一起，建立一个包含微观-宏观尺度的多尺度裂纹扩展速率模型，分析裂纹扩展过程中进行微观-介观-宏观的多尺度关联，揭示裂纹扩展动力学机理及其发展规律。本研究主要以分子动力学、细胞自动机和有限元法为主要研究方法展开多尺度数值模拟；并通过相应的实验研究来对模拟结果进行分析和验证；最终对裂纹扩展的多尺度特性有比较系统地了解，为设备的安全运行和延寿工作提供相应的理论和技术支持。

压力容器由于裂纹引发的事故数不胜数，严重危及正常生产和人身安全。腐蚀裂纹扩展过程非常复杂，它是环境-材料-受力条件下，微观-宏观共同作用下的结果，分析该过程运用到力学、电化学、表面科学和风险工程等基础理论，其过程涉及到微观尺度的初始缺陷发展到宏观尺度的构件缺陷，属于多尺度损伤演化问题。对裂纹扩展动力学进行深入研究对于清楚地认识裂纹扩展的机理、影响因素及其发展规律有很重要的意义。为此，本项目以“腐蚀裂纹扩展微观-宏观的多尺度关联研究”为研究总目标，建立涉及环境-材料的微观-宏观相关联的多尺度裂纹扩展动力学模型，把开裂时间与裂纹尖端的局部应力-应变状态关联在一起，以有限元法为主要研究方法通过多物理场耦合技术展开多尺度数值模拟，建立一个包含微观-宏观的多尺度裂纹扩展模型，并通过原位实验对腐蚀扩展进行多尺度研究，通过模拟和实验结果相结合对腐蚀裂纹扩展过程进行原位多尺度研究分析，从而揭示腐蚀裂纹扩展动力学机理及裂纹扩展规律。最终从多尺度对腐蚀裂纹扩展的特性有比较系统地了解，从而为设备的安全运行和延寿工作提供相应的理论和技术支持。