[00124535]循环塑性本构理论与结构棘轮变形预测方法研究

棘轮变形是指材料或结构承受一个一次载荷并叠加循环载荷时产生微小渐进变形的现象。工程实际中许多关键重要构件如反应堆压力容器、一回路管道、螺栓紧固连接、密封结构等,其失效均与棘轮变形密切相关。合理预测棘轮变形,成为保障工程构件长周期可靠运行,避免灾难性事故发生的必要条件。 材料本构理论一直是国际学术研究的热点前沿领域,是关键重要构件疲劳强度分析与寿命预测的基础。虽然材料循环塑性本构理论有了长足的进展,然而针对棘轮变形的描述和预测仍然不尽人意,准确预测棘轮变形已成为循环塑性本构理论的最大挑战。 本项目基于工程材料的棘轮变形试验和循环塑性本构理论研究,澄清了材料在复杂载荷下的多轴棘轮变形机制,提出了可有效预测多轴棘轮变形的随动强化律,建立了材料-结构一体化棘轮变形预测理论和框架,提出了承压设备结构棘轮边界确定方法。项目主要发现点如下： （1） 揭示了材料多轴棘轮变形的机制。通过系统的考虑载荷模式、载荷水平、加载路径和加载历史等多因素耦合试验,揭示了多轴棘轮变形的产生原因、影响因素和演化规律。发现应力增量和屈服面运动方向的夹角在加载和卸载过程中不对称是影响多轴棘轮变形的首要因素,从而明确了描述多轴棘轮变形的循环塑性本构理论的研究方向。 （2） 提出了新的叠加型随动强化律以描述多轴棘轮变形。在经典塑性理论框架下,基于背应力叠加型随动强化律,剖析了背应力动态恢复对多轴棘轮变形的影响规律,考虑多轴系数及塑性应变率与背应力的非共轴效应概念,提出了国内外同行广泛引用的“Chen-Jiao”类随动强化律模型,有效地预测了各种路径下的多轴棘轮变形行为,也解决了大循环数下多轴棘轮变形的预测问题。 （3） 建立了压力管道棘轮边界确定方法。创建了国内唯一的压力管道多轴疲劳试验系统,对承压直管和弯管的多轴棘轮行为进行了系统的试验探究。利用大型商业有限元软件实现了所提出的随动强化律模型的结构分析应用,基于等效塑性应变控制法,建立了多种加载模式下的压力管道棘轮边界确定方法,为核电一回路管道防棘轮变形设计提供了依据。 本项目8篇代表性论文被Web of Science数据库他引467次,其中4篇发表在机械工程领域顶级期刊“Int. J. Plasticity”,1篇发表在ASME Trans. JPVT。1篇代表性论文获汤姆森路透“科学前沿-中国卓越研究奖”（全国24篇）。本项目提出的“Chen-Jiao”类模型得到美国、加拿大、英国、法国、德国、日本等28个国家145位学者的广泛引用和正面评价,对四种最流行的随动强化律比较后,一致认为该模型揭示了多轴棘轮变形机理,对多轴棘轮应变预测结果最好。相关研究成果已成功应用于核电行业的压力管道防棘轮变形设计。第一完成人2014年至2020年连续七年入选Elsevier“中国高被引学者”榜单,团队成员1 人入选青年奖励计划。