学术研究报告：低合金钢焊接接头断裂韧性数值模拟及影响因素研究

一、作者及发表信息
本研究的通讯作者为Lu Fenggui（吕凤魁），来自上海交通大学材料科学与工程学院、上海市材料激光加工与改性重点实验室。合作者包括Zhao Longfei、Guo Xiangyu和Cui Haichao。研究成果发表于《Advances in Engineering Software》期刊2019年第127卷（8-16页），标题为《Numerical simulation on fracture resistance and factors affecting toughness for welded joint of low-alloy steel》。

二、学术背景
本研究属于材料科学与断裂力学交叉领域，聚焦于超超临界（USC）汽轮机转子用CrMoV低合金钢焊接接头的断裂韧性评估。焊接接头在长期服役中易出现断裂问题，而传统实验方法成本高且难以全面分析几何尺寸（如厚度、侧槽深度）对断裂韧性的影响。因此，作者通过数值模拟（Abaqus软件）结合GTN损伤模型（Gurson-Tvergaard-Needleman damage model）和弹塑性本构模型，系统研究了厚度与侧槽对临界断裂韧性（Jc）的影响规律，旨在为焊接结构设计提供可靠数据。

三、研究流程与方法
1. 材料与试样制备
- 研究对象：CrMoV低合金钢（基材，BM）与2CrMoV焊材（WM），通过紧凑拉伸（CT，Compact Tensile）试样模拟断裂行为。
- 几何参数：试样宽度（W）固定为50 mm，厚度（b）梯度设计（5–50 mm），侧槽深度（b−bn）分别为总厚度的10%、20%、25%、30%。

1. 数值模型构建

   • GTN损伤模型：用于模拟延性裂纹扩展，参数包括初始孔隙率（f0=0.0005）、临界孔隙率（fc=0.03）、失效孔隙率（ff=0.45）等，通过实验数据校准。
     
   • 弹塑性本构模型：采用J2流动理论和小几何变形（SGC）设定，屈服强度570 MPa，弹性模量220 GPa。
     
   • 有限元建模：
     
     • 裂纹扩展模型：裂纹尖端局部网格细化至0.1 mm×0.1 mm，采用表面接触（摩擦系数0.3）和位移加载控制。
       
     • 静态裂纹模型：1/4对称三维模型，侧槽区域分层离散，钝化裂纹尖端半径2.5 μm以提高计算精度。
       

2. 实验验证

   • 实验方法：通过卸载柔度法（Unloading Compliance Method）测量J-Δa阻力曲线，对比模拟与实验的力-位移曲线及裂纹扩展形貌。
     
   • 参数校准：GTN模型参数通过匹配实验裂纹扩展长度（1.73 mm实验值 vs. 1.78 mm模拟值）和Jc值（实验332.6 kJ/m² vs. 模拟344.1 kJ/m²）确定。
     

四、主要结果
1. 厚度对断裂韧性的影响
- Jc随厚度增加呈先升后降趋势：厚度为17.5 mm时Jc达峰值413 kJ/m²，超过50 mm后趋近于平面应变断裂韧性（292 kJ/m²）。
- 等效厚度（beq）：定义为Jc等于平面应变值的厚度（11.5 mm），为实验试样设计提供依据。
- 能量耗散机制：通过塑性应变能密度（EPDD）和塑性区体积分析，发现薄试样（5 mm）因表面低约束导致颈缩（Necking Rate α=0.94），而厚试样（50 mm）中平面应变区扩大，三轴应力（Triaxiality）显著升高，驱动裂纹从中部萌生。

1. 侧槽深度的影响

   • 侧槽深度为25%厚度时，J积分分布梯度最小，裂纹前沿更平直。
     
   • 侧槽通过提高应力集中增强表面约束，但过深（30%）会增大J积分离散性。
     

2. 实验验证结果

   • 优化后的CT试样（b=11.5 mm，25%侧槽）测得CrMoV-BM和2CrMoV-WM的Jc分别为307 kJ/m²和296 kJ/m²，与模拟结果（292 kJ/m²）高度一致。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了厚度与侧槽对断裂韧性的非线性影响机制，提出等效厚度beq概念。
- 结合GTN模型与能量耗散理论，量化了约束效应对裂纹驱动的贡献。

1. 应用价值：
   
   • 为汽轮机转子焊接接头的缺陷评估和适用性（FFS，Fitness-for-Service）分析提供优化试样设计标准。
     
   • 侧槽深度25%的推荐值被实验证实可提升断裂韧性测试的稳定性。
     

六、研究亮点
1. 创新方法：首次将等效厚度beq与GTN模型结合，系统分析CrMoV钢焊接接头的厚度效应。
2. 多尺度验证：通过微观孔隙演化（GTN模型）与宏观力学响应（J积分）的关联，建立跨尺度模拟框架。
3. 工程指导性：明确侧槽加工的优化参数，为ASTM E1820标准提供补充依据。

七、其他价值
研究得到中国国家自然科学基金（51675336、U1660101）支持，模型开源参数可为同类材料（如低合金钢、铜箔）的断裂研究提供参考。