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考虑厚度效应/低温效应的石油管线钢断裂韧性研究

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随着大壁厚石油管线钢在高寒地区输油管道工程中的广泛应用，对其断裂韧度的低温和厚度效应研究具有重要的科学意义和工程价值。本研究基于有限元和实验方法，得到不同温度和厚度试样的断裂韧度，并研究了断裂韧度低温和厚度效应。主要工作如下：一、基于数字图像相关（DIC）技术开发了一种金属材料低温断裂韧度CTOD实验测量方法，针对低温环境下试样进行裂尖张开位移的非接触试验测量。二、基于Gurson损伤模型，运用有限元方法，分析了14mm、28mm、42mm、56mm厚度石油管线钢三点弯曲试样不同温度的断裂韧度，获得管线钢断裂韧度随试样温度和试样厚度的变化规律，并与实验结果进行了对照。三、基于内聚力模型与基于虚拟裂纹闭合技术的裂纹扩展模拟方法，利用薄壁厚三点弯曲试验得到的失效临界载荷值，得到裂纹扩展时的单元临界能量释放率，并将此值作为裂纹扩展的启裂准则门槛值，通过有限元计算得到不同厚度下裂纹启裂时的裂尖断裂参数随着厚度的变化规律。本研究表明：采用DIC技术实现了石油管线钢断裂韧度CTOD的实验测量，获得钢断裂韧度随着温度的降低和厚度的增加呈现下降趋势的变化规律，为实现断裂韧度的非接触测量问题提供了新思路；运用Gurson损伤模型表征金属材料微孔洞的损伤演化过程，可以较好的描述石油管线钢的低温和厚度效应；通过薄壁厚三点弯曲试样的实验结果结合有限元模拟工作，即可实现金属材料断裂韧性的整个厚度效应曲线，为任意厚度下金属材料断裂韧度预测提供一种可靠的研究方法。