基于延性材料RVE破断行为的结构完整性评价基础问题研究

　　核电、化工、油气工程用压力容器、管道等关键结构件在服役过程中因制造工艺或运行损伤将产生一些缺陷，即使采用无损检测发现并修复也难以避免缺陷存在。若按照无缺陷设计标准评估，一些服役设备与构件被直接报废而造成巨大浪费。因此，为确保含缺陷结构的安全运行，开展缺陷对设备安全性与可靠性影响的完整性评价有重要工程意义并产生很高的经济效益。
　　随着疲劳与断裂力学的发展，国际上逐步形成了兼顾安全可靠性和经济性的结构完整性评价规范，如欧洲含缺陷结构完整性评定规范SINTAP、英国中央电力局（CEGB）颁布的用于高温下含缺陷结构完整性评定的R5规范和室温下含缺陷结构完整性评定R6规范、英国的含缺陷金属结构可接受度评价规范BS7910200
　　5、美国石油工程学会颁布的合于使用规范API579以及我国对含缺陷压力容器的安全评定的GBT196242004规范、在用含缺陷压力容器安全评定的SAPV95规范等。在结构完整性评价中，多采用介于脆断和延性失稳之间的双判据准则的失效评定图FAD（Failureassessmentdiagram）分析方法来评估含缺陷结构在承受准静态载荷时的安全性，采用基于Paris律的疲劳裂纹扩展分析方法进行循环载荷下含缺陷结构的剩余疲劳寿命评估。
　　在FAD评定方法中，材料RVE（RepresentativeVolumeElement，代表性体积单元）的单轴本构关系作为材料最基本的力学性能扮演了重要的角色，各评价规范根据能够获得的材料单轴本构关系的完整和真实程度，推荐了不同等级的失效评价方法。精确的材料单轴本构关系，可有效降低结构完整性评价结果的过保守性，从而使结构运行的经济效益得以更好地发挥。然而，由于试样拉伸过程中的颈缩效应，尚无法实现延性材料RVE的单轴本构关系测定。
　　目前，基于等直圆棒单轴拉伸试样颈缩前的变形和应力测量方法已非常成熟，而颈缩后材料RVE的变形和应力测量虽在历史上不同时期进行了大量的研究尝试，但至今未得到有效突破，使得相关延性材料大变形直至破坏的材料与结构强度问题研究近乎停滞。Bridgeman早在1950年代曾假设圆棒试样圆弧状颈缩轮廓和颈缩截面上应变均匀分布来修正颈缩后的应力，后来GiuseppeMirone、Truszkowski、Chen、Needleman以及Miran等在Bridgeman应力修正基础上，应用有限元差分法对圆棒试样的颈缩过程进行了分析。事实上，基于Bridgeman假设和后继的应力修正假设所得结果均与大量的实验观察情况不符，相关方法一直未得到现行规范采用。
　　另一类方法是将等直圆棒拉伸实验同颈缩变形的有限元模拟分析相结合，通过不断调整本构关系模型参数反演求得材料RVE的单轴本构关系。在这些方法中，多采用在单轴等直试样上构造初始缺陷的方式来实现颈缩模拟。然而，蔡力勋等的工作表明，幂律本构模型参数搜索方法不适用于非幂律硬化特征材料以及颈缩后硬化特征显著变化的材料，其近期工作还揭示出等直圆棒试样的初始缺陷尺寸与位置对试样颈缩变形的模拟存在显著影响。
　　MansooJoun用刚塑性有限元法实现了圆棒试样的无缺陷颈缩模拟，并以载荷位移曲线为判据来反求材料全程单轴本构关系，但刚塑性有限元法本身的计算精度有待检验。至今国际上已有的工作均采用一种材料、一个试样的实验结果来检验模拟结果，其所得本构关系的唯一性和方法的普适性值得商榷。蔡力勋等借助漏斗圆棒试样实现了延性材料RVE直至破坏的全程变形模拟，该方法尚需采用一个等直圆棒试样来确定颈缩前的本构关系，用一个漏斗圆棒试样确定材料颈缩后的本构关系，不宜用于宏观尺度下有一定分散性但局部相对均匀的材料RVE本构关系确定。
　　此外，也有研究采用基于微孔洞损伤的GTN模型来预测材料的全程单轴本构关系，由于GTN模型参数繁多且参数确定困难，不利于确保结果唯一性。近来，蔡力勋等在基于单一漏斗试样获取延性材料RVE直至破坏的单轴全程本构关系的方法研究已取得了重要进展。同时，对于材料RVE在不同应力状态下的临界破坏分析，JohnsonCook准则由于引入了表征应力状态的应力三轴度、温度和应变率对材料失效的影响而得到了较广泛的应用。
　　YingbinBao等研究发现不同应力状态下材料RVE的破断应变与应力三轴度之间的关系并不符合JohnsonCook模型。陈继恩在YingbinBao工作的基础上分别通过单调拉伸、单调压缩和拉剪复合试验对不同应力状态下破断应变与应力三轴度之间的关系作了一定的改进。但是上述有关破断应变与应力三轴度关系的研究中的不足之处在于，无论何种加载方式，应力三轴度均随着试样变形的增加而呈现大幅波动，而上述研究均采用一个无因次能量的积分方式对应力三轴度作平均化处理，由此得到的关系并不能体现材料RVE的本质特征。
　　本研究项目将研究材料RVE在拉压、剪切以及复杂应力状态下的全程本构关系，通过特殊试样构形的设计使应力三轴度不随试样变形程度变化，从而获得材料RVE在不同应力状态下的破断应变。
　　在结构完整性评价中，延性断裂参量J积分是评定裂纹准静态启裂与扩展行为的重要基础。对于J积分的测量，传统的做法是采用足够大尺寸的含裂纹标准试样实验测得最低的平面应变断裂韧度JIC。笔者在国家自然基金项目（1107220
　　5）的资助下，对获取材料平面应变断裂韧度的理论方法和测试技术进行了较系统的研究，柔度法和载荷分离法的创新成果已被新版国家断裂测试规范（GBT211432014金属材料准静态断裂韧度统一试验方法）所采纳。近几十年，尽管笔者以及国内外同行在平面应变材料断裂韧度获取方法上取得了公认的系统进展，然而，实际含缺陷结构由于较低的拘束度而具有较高的断裂韧度，仅采用平面应变条件下的断裂韧度对结构进行完整性分析会较大程度低估结构的抗断裂性能，致使结构设计安全裕度过高。虽然以JQ、JA2等为代表的双参数断裂理论可以将含缺陷结构的断裂韧度和裂尖拘束度相联系来指导结构的断裂性能评价，但在裂纹前缘不同位置裂纹启裂状态会受不同拘束度影响，因而断裂韧度JC或JIC反映的是裂纹前缘平均启裂效应，会影响材料断裂评价的精确度。
　　因此，基于裂纹前缘材料RVE的变形与破坏特征，开展结构裂纹破坏机理研究，实现具有不同裂尖拘束度的延性断裂阻力曲线的理论或数值预测具有重要意义。对准静态下材料断裂韧度JC特别是J阻力曲线实现理论预测关键在于建立裂纹启裂和扩展准则。对于延性材料启裂，Erdogan、Sih、Theocaris、Papadopoulos等曾提出过若干启裂准则，但由于历史上难以获得材料RVE直至破坏的全程单轴本构关系，致使基于各类启裂准则的裂纹启裂预测能力不高。
　　在I型裂纹延性扩展准则研究方面，Sih和Zhu根据裂纹扩展过程中的应变能密度阈值提出了I型裂纹扩展准则，但预测结果与实验结果偏离较大。对于椭圆表面裂纹的延性扩展行为预测方面，Qian采用实验和有限元模拟相结合的方式对受拉椭圆表面裂纹的准静态启裂和扩展行为预测进行了尝试，预测结果与实验观察存在较大差异。此外，近年有较多研究采用基于材料微孔洞损伤的GTN模型来模拟裂纹的准静态延性扩展行为，但是，GTN模型参数众多，其参数的确定涉及微观实验、人为调试等复杂因素，GTN模型的预测能力究竟如何尚需进一步考察。
　　Hutchinson等通过引入剪切破坏参量k对GTN模型进行了改进，采用单轴拉伸、I型裂纹准静态断裂和剪切三种宏观试验来确定模型参数，减少了原GTN模型通过微观观察确定参数的复杂性；然而，该研究中仍存在单轴本构关系获取方法不当、误差累积明显等亟待完善的问题。如上所述，对于不同拘束度的I型裂纹试样以及工程中常见的椭圆表面裂纹、深埋椭圆裂纹、角裂纹等I型结构裂纹的扩展问题，在基于材料RVE全程本构关系的理论预测方面的研究至今在国内外少见文献报道。
　　综上所述，作为具有局部大变形破坏的结构完整性评价的重要内容，有关延性材料RVE的单轴本构关系、材料断裂韧性和结构裂纹的准静态和疲劳扩展行为的研究尚存在基础性不足。本项目拟开展基于延性材料RVE破断行为的结构完整性评价基础问题研究，探索基于单试样获取延性材料RVE直至破坏的全程单轴本构关系的方法，研究材料在复杂加载条件下的临界破坏机理，以此为基础发展含裂纹结构的准静态启裂与扩展行为理论预测方法；开展延性材料RVE含大变形破坏的低循环疲劳行为研究，通过在结构裂纹尖端塑性区中考虑低循环疲劳损伤来建立描述含裂纹结构的疲劳裂纹扩展行为的理论方法。研究成果将为含缺陷结构完整性评价方法的进一步完善提供重要的理论方法和技术支撑，具有广阔的应用前景。