基于延性材料RVE破斷行為的結構完整性評價基礎問題研究論文
核電、化工、油氣工程用壓力容器、管道等關鍵結構件在服役過程中因制造工藝或運行損傷將產生一些缺陷，即使采用無損檢測發現并修復也難以避免缺陷存在。若按照無缺陷設計標準評估，一些服役設備與構件被直接報廢而造成巨大浪費。因此，為確保含缺陷結構的安全運行，開展缺陷對設備安全性與可靠性影響的完整性評價有重要工程意義并產生很高的經濟效益。隨著疲勞與斷裂力學的發展，國際上逐步形成了兼顧安全可靠性和經濟性的結構完整性評價規范，如歐洲含缺陷結構完整性評定規范 SINTAP、英國中央電力局(CEGB)頒布的用于高溫下含缺陷結構完整性評定的 R5 規范和室溫下含缺陷結構完整性評定 R6 規范、英國的含缺陷金屬結構可接受度評價規范 BS7910-2005、美國石油工程學會頒布的合于使用規范 API579以及我國對含缺陷壓力容器的安全評定的 GB/T19624-2004 規范、在用含缺陷壓力容器安全評定的 SAPV-95 規范等。在結構完整性評價中，多采用介于脆斷和延性失穩之間的雙判據準則的失效評定圖 FAD(Failure assessment diagram)分析方法來評估含缺陷結構在承受準靜態載荷時的安全性，采用基于 Paris 律的疲勞裂紋擴展分析方法進行循環載荷下含缺陷結構的剩余疲勞壽命評估。
在 FAD 評定方法中，材料 RVE(Representative Volume Element，代表性體積單元)的單軸本構關系作為材料最基本的力學性能扮演了重要的角色，各評價規范根據能夠獲得的材料單軸本構關系的完整和真實程度，推薦了不同等級的失效評價方法。精確的材料單軸本構關系，可有效降低結構完整性評價結果的過保守性，從而使結構運行的經濟效益得以更好地發揮。然而，由于試樣拉伸過程中的頸縮效應，尚無法實現延性材料 RVE 的單軸本構關系測定。目前，基于等直圓棒單軸拉伸試樣頸縮前的`變形和應力測量方法已非常成熟，而頸縮后材料 RVE 的變形和應力測量雖在歷史上不同時期進行了大量的研究嘗試，但至今未得到有效突破，使得相關延性材料大變形直至破壞的材料與結構強度問題研究近乎停滯。Bridgeman 早在 1950 年代曾假設圓棒試樣圓弧狀頸縮輪廓和頸縮截面上應變均勻分布來修正頸縮后的應力，后來 GiuseppeMirone、Truszkowski、Chen、Needleman 以及 Miran 等在 Bridgeman 應力修正基礎上，應用有限元差分法對圓棒試樣的頸縮過程進行了分析。事實上，基于 Bridgeman 假設和后繼的應力修正假設所得結果均與大量的實驗觀察情況不符，相關方法一直未得到現行規范采用。另一類方法是將等直圓棒拉伸實驗同頸縮變形的有限元模擬分析相結合，通過不斷調整本構關系模型參數反演求得材料 RVE 的單軸本構關系。在這些方法中，多采用在單軸等直試樣上構造初始缺陷的方式來實現頸縮模擬。然而，蔡力勛等的工作表明，冪律本構模型參數搜索方法不適用于非冪律硬化特征材料以及頸縮后硬化特征顯著變化的材料，其近期工作還揭示出等直圓棒試樣的初始缺陷尺寸與位置對試樣頸縮變形的模擬存在顯著影響。Mansoo Joun 用剛塑性有限元法實現了圓棒試樣的無缺陷頸縮模擬，并以載荷位移曲線為判據來反求材料全程單軸本構關系，但剛塑性有限元法本身的計算精度有待檢驗。至今國際上已有的工作均采用一種材料、一個試樣的實驗結果來檢驗模擬結果，其所得本構關系的唯一性和方法的普適性值得商榷。蔡力勛等借助漏斗圓棒試樣實現了延性材料 RVE 直至破壞的全程變形模擬，該方法尚需采用一個等直圓棒試樣來確定頸縮前的本構關系，用一個漏斗圓棒試樣確定材料頸縮后的本構關系，不宜用于宏觀尺度下有一定分散性但局部相對均勻的材料 RVE 本構關系確定。此外，也有研究采用基于微孔洞損傷的GTN 模型來預測材料的全程單軸本構關系，由于 GTN 模型參數繁多且參數確定困難，不利于確保結果唯一性。近來，蔡力勛等在基于單一漏斗試樣獲取延性材料 RVE 直至破壞的單軸全程本構關系的方法研究已取得了重要進展。同時，對于材料 RVE 在不同應力狀態下的臨界破壞分析，Johnson-Cook 準則由于引入了表征應力狀態的應力三軸度、溫度和應變率對材料失效的影響而得到了較廣泛的應用。YingbinBao 等研究發現不同應力狀態下材料 RVE 的破斷應變與應力三軸度之間的關系并不符合 Johnson-Cook 模型。陳繼恩在 YingbinBao 工作的基礎上分別通過單調拉伸、單調壓縮和拉剪復合試驗對不同應力狀態下破斷應變與應力三軸度之間的關系作了一定的改進。但是上述有關破斷應變與應力三軸度關系的研究中的不足之處在于，無論何種加載方式，應力三軸度均隨著試樣變形的增加而呈現大幅波動，而上述研究均采用一個無因次能量的積分方式對應力三軸度作平均化處理，由此得到的關系并不能體現材料 RVE 的本質特征。本研究項目將研究材料 RVE 在拉壓、剪切以及復雜應力狀態下的全程本構關系，通過特殊試樣構形的設計使應力三軸度不隨試樣變形程度變化，從而獲得材料 RVE 在不同應力狀態下的破斷應變。
在結構完整性評價中，延性斷裂參量 J 積分是評定裂紋準靜態啟裂與擴展行為的重要基礎。對于 J 積分的測量，傳統的做法是采用足夠大尺寸的含裂紋標準試樣實驗測得最低的平面應變斷裂韌度 JIC。筆者在國家自然基金項目(11072205)的資助下，對獲取材料平面應變斷裂韌度的理論方法和測試技術進行了較系統的研究，柔度法和載荷分離法的創新成果已被新版國家斷裂測試規范(GB/T21143-2014-金屬材料準靜態斷裂韌度統一試驗方法)所采納。近幾十年，盡管筆者以及國內外同行在平面應變材料斷裂韌度獲取方法上取得了公認的系統進展，然而，實際含缺陷結構由于較低的拘束度而具有較高的斷裂韌度，僅采用平面應變條件下的斷裂韌度對結構進行完整性分析會較大程度低估結構的抗斷裂性能，致使結構設計安全裕度過高。雖然以 J-Q、J-A2等為代表的雙參數斷裂理論可以將含缺陷結構的斷裂韌度和裂尖拘束度相聯系來指導結構的斷裂性能評價，但在裂紋前緣不同位置裂紋啟裂狀態會受不同拘束度影響，因而斷裂韌度 JC或 JIC 反映的是裂紋前緣平均啟裂效應，會影響材料斷裂評價的精確度。因此，基于裂紋前緣材料 RVE 的變形與破壞特征，開展結構裂紋破壞機理研究，實現具有不同裂尖拘束度的延性斷裂阻力曲線的理論或數值預測具有重要意義。對準靜態下材料斷裂韌度 JC 特別是 J 阻力曲線實現理論預測關鍵在于建立裂紋啟裂和擴展準則。對于延性材料啟裂，Erdogan、Sih、Theocaris、Papadopoulos 等曾提出過若干啟裂準則，但由于歷史上難以獲得材料 RVE 直至破壞的全程單軸本構關系，致使基于各類啟裂準則的裂紋啟裂預測能力不高。在 I 型裂紋延性擴展準則研究方面，Sih 和 Zhu 根據裂紋擴展過程中的應變能密度閾值提出了 I 型裂紋擴展準則，但預測結果與實驗結果偏離較大。對于橢圓表面裂紋的延性擴展行為預測方面，Qian 采用實驗和有限元模擬相結合的方式對受拉橢圓表面裂紋的準靜態啟裂和擴展行為預測進行了嘗試，預測結果與實驗觀察存在較大差異。此外，近年有較多研究采用基于材料微孔洞損傷的 GTN 模型來模擬裂紋的準靜態延性擴展行為，但是，GTN 模型參數眾多，其參數的確定涉及微觀實驗、人為調試等復雜因素，GTN 模型的預測能力究竟如何尚需進一步考察。Hutchinson 等通過引入剪切破壞參量 kω對 GTN 模型進行了改進，采用單軸拉伸、I 型裂紋準靜態斷裂和剪切三種宏觀試驗來確定模型參數，減少了原 GTN 模型通過微觀觀察確定參數的復雜性;然而，該研究中仍存在單軸本構關系獲取方法不當、誤差累積明顯等亟待完善的問題。如上所述，對于不同拘束度的 I 型裂紋試樣以及工程中常見的橢圓表面裂紋、深埋橢圓裂紋、角裂紋等 I 型結構裂紋的擴展問題，在基于材料 RVE 全程本構關系的理論預測方面的研究至今在國內外少見文獻報道。
綜上所述，作為具有局部大變形破壞的結構完整性評價的重要內容，有關延性材料 RVE 的單軸本構關系、材料斷裂韌性和結構裂紋的準靜態和疲勞擴展行為的研究尚存在基礎性不足。本項目擬開展“基于延性材料 RVE 破斷行為的結構完整性評價基礎問題研究”，探索基于單試樣獲取延性材料 RVE 直至破壞的全程單軸本構關系的方法，研究材料在復雜加載條件下的臨界破壞機理，以此為基礎發展含裂紋結構的準靜態啟裂與擴展行為理論預測方法;開展延性材料RVE 含大變形破壞的低循環疲勞行為研究，通過在結構裂紋尖端塑性區中考慮低循環疲勞損傷來建立描述含裂紋結構的疲勞裂紋擴展行為的理論方法。研究成果將為含缺陷結構完整性評價方法的進一步完善提供重要的理論方法和技術支撐，具有廣闊的應用前景。
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