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1、关于焊接结构在一个三维的热疲劳荷载作用下 裂纹产生和传播的实验和数值模拟 摘要在西瓦克斯电厂发生的热负荷 nocivity 一事件表明，对热负荷这种类型的特异性加载 要考虑它在设计水平上的困难。本研究的目的是研究在热负荷作用下，结构有或没有焊接 时裂纹的产生和传播。法国原子能委员会（CEA）在这一目标上开发了一种以fat3d命名的 新的实验。进行了管焊缝危害性的各种热负荷加载实验，可以通过总厚度组件启动一个网 络的裂缝和一个（或几个）裂纹来传播。焊接结构实验表明裂纹更快的产生和焊缝定位的 重要性。如西瓦克斯电厂表现的，两种裂纹都从焊接接头的脚开始。这些实验结果显示， 通常根据等效应变的变化作为
2、分析标准。关键词：热疲劳；裂纹扩展；有限元；低周疲劳；焊接1简介由于许多工业设施结构要求材料承受各种机械加载，承受高温等操作条件，容易导致 热疲劳损伤。热疲劳是一个在燃气轮机领域关注和研究的课题，并在最近的压水反应堆（PWR）混合三通反应堆冷却系统某些部件中得到应用。在法国的西瓦克斯反应堆观察到， 裂纹区中显示一个小裂缝网络（深度小于3mm）的快速启动没有呈现择优取向（图1A）。除 此之外它确认了焊接接头产生和扩展的作用。在焊脚确实观察了裂纹的萌生，而焊缝网络是远离焊缝存在的（图lb）。另外该裂纹 通过管道的厚度增长非常快速的传播 。从设计的角度来看，这些意见中提出了几个问题。 第一个问题是确
3、定在何种程度上单轴机械测试的结果可以用来预测热疲劳结构的产生。在 一个纯粹的热负荷裂纹的传播也是一个需要解决的问题。最后焊接接头传播产生的影响也 进行了检查。在此框架下，东航实验室的结构完整性和标准的作用主要是模拟并分析启动和热载荷 作用下裂纹的扩展，以获得进一步的见解 Civaux 的事件在这个框架内， CEA 实验室主要是模拟和分析热负荷作用下裂纹产生和传播完整性和 标准的作用，已进一步了解西瓦克斯事件。带着这个目的，实验室混合区进行了数值研究 并开发了一个验命名fat3d的热测试装置实。其主要目标是：重现在热载荷作用下网络裂缝的快速启动并分析单轴产生的周期数。纯热载荷作用下的裂纹的扩展。
4、研究热疲劳作用下焊缝传播的影响。已经在文献3呈现了用于设计测试和分析结果的数值模型。在本论文中，这个测试的原理是首先应用的。实验表明一个结构或无焊接，并比较和有限元分析热性能和机械性能。最后，热载荷作用下裂纹萌生预测从单轴力学试验数据上使用不同的标准进行介绍和比较。2. FAT3D 的测试原理 实验是对热管进行加载以产生一个三维应力应变场。 这个测试是通过以下设计要求：裂纹必须在一个合理的时间装运启动（最多 3 个月的时间检查）。试管管内的皮肤管需要放置一个炉。冷却区的抛物线形（图2B）。这种热冲击产生不 同的热梯度可分为两类：局部梯度温度差由内部的皮肤和皮肤之间的外部管产生。 整体的温度梯度
5、，由温度差管的一侧和另一侧产生。作为 fat3d 实验冷却区的抛物线 形状，热梯度沿ZZ轴和HH轴线设置。样品是高360毫米，166毫米和外部直径厚度6.7毫米的316L奥氏体不锈钢管。不同的热负荷参数可以到另一个测试进行修改一个（图 2C）：总周期的时间T。C冷却时间 T。F测试管的厚度 E。该炉的温度T。C一个周期可以分为两个部分：加热阶段和冷却阶段。冷却阶段的控制T （冷温度是水的温度）。F加热阶段是控制使用参数 T ， T 。CC高温对炉内T=650C （注意这温C为了尽量减少加热时间，从而减少周期的持续时间 度不符合最高温度试件的开裂观察条件）。抛物线形冷却区冷水注射时间图 2 、
6、Fat3d 的实验原理y为预测中的热测量温度的周期。测 试 管 水 喷 射 管已经进行了热测试，基准测试管有大量的热电偶，在一个数值结果的3. 金属基热疲劳试验管三个测试是管焊缝随着不同程度的加载的实验（表 1）。三种试验，在冷却区顶部注意裂缝网络的产生。裂纹垂直于冷却区的边界，它们是纵 向在该表面的顶部，并逐步遵循环向方向朝向底部。作为温度幅值较高的顶端冷却区，最 长的裂缝定位在该地区热负载最严重的地方。fat3d试验编号4和6对停止检查的裂缝网络的定期进行了传播。表 1.Fat3d 实验的合成Fat3d4 号Fat3d5 号Fat3d6 号周期时间tc （s）19013091冷却时间tf1
7、51511外部皮肤（C）360290220启动循环数3500 - 12,00016,500 - 30,09314,000 - 23,000观察的第一裂纹表面长度（mm）30206周期的总数175323009348147在实验最后结束 的表面长度（mm）501520 或 25裂纹深度（mm）裂纹通过43.2在两个相邻裂缝 的平均长度（mm）3.21.71.5这些观察得出以下结论：该 fat3d 实验裂纹产生出现在早期。第一条裂缝出现在冷却带的顶部和垂直方向在裂缝表面和深处的显示的传播方向观察；在某些情况下，一个通过厚度裂纹观察。 高密度的网络中的裂纹得到的热负荷水平高。4. 焊接管的热疲劳试验f
8、at3d 6 号试验是使用相同的加载条件剃了焊接接头进行了两个额外的试验。图 4 描 述了这两个试验中用于测试不同的几何形状FAT3D号7和8的，在焊接接头的不同取向被 认为是：接合部的第一方向是周向（图4a）,而第二个是纵向（图4B）。图4c中给出了焊 接过程的细节。表2总结了三热疲劳的主要结果测试无焊接fat3d 6号），与周围的焊接 fa t3d 7号），纵向焊缝（fa t3d 8号）。可以看出，减少启动是焊接试验管2的一个因素。不同的测试继续，直到 50000 次为检验裂隙网络的发展。试验结束时，对于三测试最大裂 纹表面长度几乎是相同的，但是网络中裂缝密度是不同的。试验后，测试管被切断
9、来研究裂纹随厚度的传播。本文的目的是沿切割线深度不同的位置切割选确定裂纹。在焊接管的情况下，开始后很短的测试时间（14000 个周期），检测到小裂纹的产生（几 毫米的长度）。然而，启动的位置取决于焊接接头方向的不同：启动后，fat3d7号的试验结果为多裂纹顶端冷却带的延续。在这段时间里，第一裂纹 直到50000周期的长度为25毫米（图6a）。裂纹的纵向存在的焊缝不改变方向。然而通过 焊接接头，注意到传播率降低是裂纹生长。至4.5毫米的深度，裂纹的深度是很重要的。通手动金属加工后焊接32通过钨极惰性气焊lOtnin电弧焊接,6.7mm图4.为测试fat 3d 7号的焊接试验管几何（a）和测试fa
10、t 3d第8 （b）；焊接接头的几何（c）。在 fat3d 8 号试验裂纹扩展是不同的：第一条裂缝，从焊缝的界面开始，快速传播。值得注意的是在与fat3d编号6和7试 验的比较，靠近焊缝裂纹密度低。通过厚度裂纹显示了一个3毫米的扩展。然而，正如焊 缝的裂纹深度取决于切削位置，这是特别困难的试验选择。因此，深度这个值可能不作为 一个最大的考虑因素。远离焊缝，相似的 fat3d 6 号试验观察裂纹产生的焊缝网络具有高密度。 然而，如图 7 所示，焊缝不在冷却区中，不在最大负荷区。因此，当焊缝位于最大热 的观察负荷区，在焊缝界面一个更大的传播的裂纹可能会随着一个较小的裂缝网络传播。这些观察结果的分析
11、导致以下结论：自循环的次数对焊缝的存在没有害，因为周期数产生因素只减少到一个因素 2； 如果焊缝是平行于主应力方向，裂纹在焊缝和垂直于焊缝方向传播。如果焊缝是垂直 主应力方向，裂纹首先在焊缝界面产生。然后，观察到的裂纹快速扩展。同时裂缝网络开 始远离焊缝。由于焊缝不位于最大负荷区，焊接裂纹产生的界面向其他比较重要的裂缝方 向传播。5. 该试验的数值分析在这项研究中，我们假设材料在几个周期内达到稳定，即塑性安定状态。此外，我们 进一步假设，这个周期将不被结构完整的一生修改。循环模型基于在循环应力应变曲线的（DR-de）的材料被称为“四分之一”周期。该 方法不仅仅能够确定振幅（而不是应力应变关系的
12、）的应力和应变（弹性和塑性的）。这些 计算在需要的时刻之前的测定热循环产生的最大和最小应力并指出最大和 最小应力。这个 决定于弹性计算。之后，一个等效的热负荷使差测定这两个热领域。然后，一个简单的塑 性计算与各向同性硬化模型与等效热载荷。材料的循环应力应变曲线用于计算。因此，在焊接管开裂分析fat 3d编号7和8的循环方法的四分之一允许估计具有良好 的精度-塑料弹性在热循环中，只有应变应力应变曲线（需要对焊接数据关节）。这些测试 是在四个不同层次的执行加载。对于焊接金属，循环硬化曲线在双材料标本测定，对软金属使用相同的测试条件。 用于循环法的季度材料数据在图10给出的循环曲线。等效应力范围 D
13、REQ 的计算方程： (J eq = maxt1,t2(G G )t1 t 22- 3 -3 - 1- - 1-J 2(G) J (2S:S r 2(g3(tr 刖):(G3(tr 刖)DREQ 的值是在冷却前冷表面边界区最高附近增加，这与实验观察一致。从冷却区开始， DREQ 的值迅速减少，可以忽略不计。图 14 比较了沿 z 轴的一个测试管或无环焊缝的弹性-应变振幅。可以看出，应变范围 在基体金属焊接不重要。观察碱金属（在冷却区的顶部）应变变化略有增加，在这个测试 中的 fat3d 6 号试验的比较这可能有助于观察到裂纹的早期开始。6. 疲劳分析在这张图中，圆形符号相符单轴试验（R=1）是
14、在总执行应变振幅对疲劳试样直径11毫米。失败的周期数与应力振幅减少50%A图7在内部的皮肤开裂观察（a）和在实验结束fat 3d 8号试管通过的厚度（b）7. 结论与展望这里提出的 FAT3D 实验已经证明，裂缝网络在筒壁可以根据一个纯循环的热负荷启动 和传播。基于等效应变的变化开始预测的分析已经显示出这通常标准的限制：该实验点，分别 对应 5-30 毫米表面长裂纹，是从单轴疲劳所产生的曲线下测试的热的双轴负载可以是在这 一现象的起源。这个问题将另文讨论。此外，焊接结构的实验结果表明焊缝形成寿命有限 与因数 2 有关，然而，焊缝在传播的方向上受起始位置显著影响。在这个实验结束时，我 们观察到的裂化类似于在西瓦克斯事件中观察到的裂纹。应该注意到，焊缝研究是焊接管被削匀后进行得。因此，这些结论将更为不利表明非 剃焊接接头的管也是如此。在纵向焊接钢管的情况下，裂纹将启动较早的界面。最后，这里给出的结果都展现了热负荷对于管道结构完整性的危害性，提高对这一现 象的理解为预测方法的可靠性。此外， FAT3D 实验模型应该考虑到的双轴应力状态扩展到 高的循环制度的影响。
