基于完全剪切耦合Gurson模型的损伤断裂评估曲线研究

摘要

全尺寸管道结构在断裂评估中的保守性问题日益突出，目前以Hutchinson-Rice-Rosengren解为基础的工程临界评估程序，无法准确预测韧性撕裂条件下的断裂评估结果，主要原因在于缺少统一的耦合损伤模型和考虑损伤因素的失效评估方法．根据现有研究中的不足，在Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）模型基础上，提出了完全剪切耦合Gurson（SCG）模型，以捕捉完整的损伤断裂演化过程．对比小尺寸单边缺口拉伸SE（T）试样数值模拟仿真断裂截面与拉伸试验断口结果，验证采用完全剪切耦合损伤系数C_z^-1ω（σ）可准确预测断口高、低应力三轴度状态下韧性断裂机制．利用SE（T）试样与全尺寸管道裂纹尖端拘束状态的相似性，通过小尺寸SE（T）试验标定SCG模型，并重新定义断裂评估曲线方程为■．在外载荷作用下，根据Irwin-Orowan能量守恒定律推断，因裂纹尖端存在不同程度的撕裂情况，经典弹塑性断裂评估程序未考虑形成新裂纹面引起的驱动力减小，从而导致其评估曲线保守．通过469组已发表的全尺寸管道断裂试验结果对损伤断裂评估程序进行验证．结果表明：SCG模型可以准确预测高应力三轴度状态（η >0.4 ）主导的多孔隙率断裂和低应力三轴度状态（0≤η≤0.4 ）下发生的低孔隙化断裂，基于SCG模型获得损伤断裂评估曲线，预测469组全尺寸管道断裂试验，其可靠度为98.8%，为管道结构安全冗余设计提供可量化的全新评估方法，同时加深了对环焊缝断裂行为的认知．

关键词

细观损伤力学 / 剪切修正 / 断裂评估曲线 / 管道环焊缝 / 耦合损伤模型