壓力容器安全：斷裂力學(xué)基礎(chǔ)

斷裂力學(xué)基礎(chǔ)

斷裂力學(xué)基礎(chǔ)

第一部分：概述第二部分：線彈性斷裂力學(xué)第三部分：彈塑性斷裂力學(xué)第四部分：含缺陷結(jié)構(gòu)安全評定過程第五部分：概率斷裂力學(xué)簡介第一部分：概述一、引言介紹材料斷裂破壞的基本知識了解含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評價基本方法共同研討，共同進(jìn)步二、斷裂力學(xué)所屬學(xué)科及涉及內(nèi)容振動力學(xué)力學(xué)塑性力學(xué)流體力學(xué)彈性力學(xué)鐵木辛柯量子力學(xué)普朗克理論力學(xué)牛頓、伽利略材料力學(xué)鐵木辛柯?lián)p傷力學(xué)Chaboche斷裂力學(xué)Irwin(1948)是固體力學(xué)的一個新分支研究缺陷、裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展及破壞的學(xué)科由平面2維結(jié)構(gòu)到3維結(jié)構(gòu)由靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)斷裂力學(xué)到動態(tài)斷裂力學(xué)由早期和宏觀斷裂力學(xué)到細(xì)、微觀斷裂力學(xué)由金屬材料到非金屬材料二、斷裂力學(xué)所屬學(xué)科及涉及內(nèi)容三、斷裂力學(xué)的起源工程設(shè)計問題的歷史回顧經(jīng)驗設(shè)計強(qiáng)度理論斷裂力學(xué)的起源---工程設(shè)計問題的歷史回顧PAP平均應(yīng)力應(yīng)力計算工程設(shè)計問題的歷史回顧---強(qiáng)度理論σsσb材料性能和許用應(yīng)力的確定工程設(shè)計問題的歷史回顧---強(qiáng)度理論建立強(qiáng)度條件應(yīng)力計算許用應(yīng)力的確定建立強(qiáng)度條件平衡方程變形幾何條件應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系內(nèi)力應(yīng)力初步設(shè)計設(shè)計目標(biāo)強(qiáng)度條件滿意？結(jié)束YESNO修改設(shè)計強(qiáng)度計算材料試驗極限應(yīng)力選取安全系數(shù)許用應(yīng)力工程設(shè)計問題的歷史回顧---強(qiáng)度理論

強(qiáng)度理論（材料力學(xué)為基礎(chǔ)）工程設(shè)計問題的歷史回顧---強(qiáng)度理論

解決了大量的工程問題

建筑、石油、化工、醫(yī)療器械、航空、航海等幾乎每一個需要考慮承載問題的領(lǐng)域創(chuàng)造了無比的輝煌認(rèn)為是正確無誤的。？歷史回顧---災(zāi)難性事故1938～1942年有40座焊接鐵橋突然折斷倒塌，事前未見異常現(xiàn)象。1950年美國北極星導(dǎo)彈殼體在試驗時爆炸，該殼體用D6AC高強(qiáng)度鋼制造，屈服強(qiáng)度1400MPa，經(jīng)傳統(tǒng)力學(xué)性能試驗認(rèn)為合格，破壞應(yīng)力還不到屈服強(qiáng)度的一半。1954年英國兩架彗星號噴氣式飛機(jī)先后在地中海上空意外失事。許多國家多次發(fā)生高壓鍋爐、石油及化工容器或管道無故爆炸或損壞事故。歷史回顧---災(zāi)難性事故許多國家多次發(fā)生高壓鍋爐、石油及化工容器或管道無故爆炸或損壞事故。歷史回顧---災(zāi)難性事故1943年一1945年，二次世界大戰(zhàn)期間，美國按照全焊接標(biāo)準(zhǔn)制造了大量自由輪（5000艘），約有1000艘發(fā)生了致命的破壞或破損，238艘完全破壞（其中大約有l(wèi)00艘的破壞是在平靜的海面上發(fā)生），并且?guī)缀跏峭蝗粩喑蓛山?。歷史回顧---災(zāi)難性事故歷史回顧---災(zāi)難性事故的反思為什么以前沒有發(fā)生，是什么導(dǎo)致事故的發(fā)生？與以前相比究竟發(fā)生什么變化？歷史回顧---災(zāi)難性事故的反思---變化(1)材料工業(yè)的發(fā)展，各種合金鋼大量涌現(xiàn)，高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度材料相繼問世。

(2)隨著高強(qiáng)度材料的使用，結(jié)構(gòu)大型化、極限化。(3)焊接工藝的產(chǎn)生和發(fā)展，結(jié)構(gòu)構(gòu)件日趨輕質(zhì)化，很多大型結(jié)構(gòu)都采用了焊接工藝。(4)工作環(huán)境更為復(fù)雜

(如高溫、腐蝕性等環(huán)境）；承受載荷形式多樣化（如動載荷、交變載荷、沖擊載荷等）。歷史回顧---災(zāi)難性事故的反思---事故的特點大部分嚴(yán)重的低應(yīng)力脆斷事故，都是發(fā)生在高強(qiáng)度材料的大型焊接件中；且大量事故發(fā)生在冬季。在發(fā)生低應(yīng)力脆斷事故的構(gòu)件斷口處，往往可以找到原來就有的宏觀裂紋。這些裂紋多產(chǎn)生于焊縫或是潛伏在構(gòu)件材料中的原始缺陷。

有的雖然起始僅是很小的微裂紋，甚至無原始缺陷，但經(jīng)過周期性反復(fù)變化的載荷作用后，微裂紋形成并逐漸擴(kuò)展變大；有的則是由于腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的共同作用，導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展。

三、斷裂力學(xué)的起源---針對發(fā)現(xiàn)問題的研究材料方面的研究材料方面存在的誤區(qū)---受強(qiáng)度理論影響，片面追求材料的高強(qiáng)度；強(qiáng)度提高了，其它方面的性能如何呢？三、斷裂力學(xué)的起源---針對發(fā)現(xiàn)問題的研究材料方面的研究三、斷裂力學(xué)的起源---針對發(fā)現(xiàn)問題的研究韌性指標(biāo)沖擊韌性——Akv、動載、缺口(一般稱為沖擊吸收功)韌脆轉(zhuǎn)變溫度——FATT無塑性轉(zhuǎn)變溫度——NDT三、斷裂力學(xué)的起源---針對發(fā)現(xiàn)問題的研究成果：

對材料韌性提出要求效果：在一定程度上避免了事故的發(fā)生，

但是……三、斷裂力學(xué)的起源---針對缺陷問題的研究2.缺陷問題方面的研究從受力分析角度出發(fā)

無裂紋構(gòu)件上的應(yīng)力分布均勻，有含裂紋構(gòu)件的斷裂應(yīng)力比無裂紋構(gòu)件的破壞應(yīng)力低得多，為什么？

彈塑性斷裂線彈性斷裂極限載荷控制（強(qiáng)度問題）三、斷裂力學(xué)的起源---缺陷問題方面的研究應(yīng)力集中截面突然變化而引起的應(yīng)力局部驟然增大的現(xiàn)象。截面尺寸變化越劇烈，應(yīng)力集中就越嚴(yán)重。如何描述應(yīng)力集中？第二部分

線彈性斷裂力學(xué)一、彈性應(yīng)力場分析方法I型（張開型）II型(滑移型)III型(撕開型)I型裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場初始邊界條件：（1）當(dāng)y=0,-a<x<a時，y=0。（2）當(dāng)y=0,|x|>a時，y>

。（3）當(dāng)y=0,x時，y=

。I型裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場角度因素（裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場幾何因素當(dāng)r=0，出現(xiàn)奇異性形狀系數(shù)裂紋尺寸載荷裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場即：r趨于0時，應(yīng)力σij

無窮大裂紋尖端部位的應(yīng)力無窮大似乎說明，只要結(jié)構(gòu)有裂紋，將不能承受載荷裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場---典型的拉伸曲線s=0.2sbeeeeee裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場彈性區(qū)塑性區(qū)裂紋裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場－塑性區(qū)裂紋尖端附近的應(yīng)力應(yīng)變場

小范圍屈服條件－－當(dāng)材料的塑性區(qū)很小時，線彈性分析的裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場可以近似實用二、應(yīng)力強(qiáng)度因子方法Stressintensityfactor形狀系數(shù)載荷因素裂紋尺寸彈性力學(xué)線彈性斷裂力學(xué)應(yīng)力應(yīng)變場位移變形應(yīng)力強(qiáng)度因子由Irwin等1957年導(dǎo)出。Kies的縮寫，Irwin的同事。應(yīng)力強(qiáng)度因子－KI

描述裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場參量

可以認(rèn)為是描述裂紋擴(kuò)展的推動力的量應(yīng)力強(qiáng)度因子－KI

描述裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場參量

可以認(rèn)為是描述裂紋擴(kuò)展的推動力的量強(qiáng)度理論

應(yīng)力（推動力）許用應(yīng)力的確定建立強(qiáng)度條件應(yīng)力強(qiáng)度因子－KI

描述裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場參量

可以認(rèn)為是描述裂紋擴(kuò)展的推動力的量強(qiáng)度理論

能否建立與強(qiáng)度理論相似的強(qiáng)度條件能否確定與[σ]相似的與KI對應(yīng)的參量？？？應(yīng)力強(qiáng)度因子－KI

描述裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場參量

可以認(rèn)為是描述裂紋擴(kuò)展的推動力的量線彈性斷裂力學(xué)斷裂判據(jù)裂紋尺寸一定，KI值隨載荷應(yīng)力s的增大而增大。當(dāng)KI增大到某一程度時，裂紋開裂，進(jìn)入隨應(yīng)力增大而裂紋繼續(xù)擴(kuò)展的穩(wěn)定擴(kuò)展階段。最終發(fā)生突然的不可控制的快速斷裂，即失穩(wěn)斷裂。實驗證明每一種材料均有自己的發(fā)生裂紋失穩(wěn)斷裂的KI最低值稱為“臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC”，它是材料抗裂紋斷裂的韌性的反映，亦稱為材料的“斷裂韌性”。材料的KIC值越高說明抗斷裂的韌性越好。越不容易發(fā)生低應(yīng)力脆斷。斷裂韌性便成為衡量材料韌性與脆性的重要力學(xué)性能新指標(biāo)。不同斷裂判據(jù)有不同的參數(shù)，如KIC、JIC、δC,則稱為斷裂韌度。三、材料斷裂韌性（KIC）影響斷裂韌度（斷裂韌性）的因素（1）材料、溫度（2）應(yīng)力狀態(tài)：如平面應(yīng)力與平面應(yīng)變（包括：結(jié)構(gòu)形式、尺寸、缺陷位置大小等）斷裂韌度隨試樣厚度變化情況四、線彈性斷力學(xué)判據(jù)（應(yīng)用舉例）KI=KIC應(yīng)用舉例例l、有一高強(qiáng)鋼容器，設(shè)計許用應(yīng)力為[σ]=1400MPa，探傷只能發(fā)現(xiàn)深度大于1mm的表面裂紋?，F(xiàn)有兩個鋼種可供選擇，其中，甲鋼種的σs=2100MPa，KIC=50MPa；乙鋼種的σs=1700MPa，KIC=84MPa。試分析應(yīng)該選用哪一種鋼種合適。

按常規(guī)強(qiáng)度理論，顯然甲鋼種的強(qiáng)度儲備大于乙鋼種

按常規(guī)強(qiáng)度理論，兩個鋼種的強(qiáng)度安全系數(shù)分別為：甲鋼：從斷裂力學(xué)角度分析由應(yīng)力強(qiáng)度因子可以推導(dǎo)出材料斷裂時的臨界應(yīng)力

可見，甲鋼種的斷裂應(yīng)力不僅比乙鋼種低，且低于許用應(yīng)力[σ]。這就表明，若選用甲鋼種作為容器材料的話，就可能在低于設(shè)計壓力下發(fā)生低應(yīng)力脆斷。若選用乙鋼種，則就不會發(fā)生低應(yīng)力脆斷。例2

某容器的材料機(jī)械性能為σs=2100MPa，KIC=37MPa。容器制成后，發(fā)現(xiàn)器壁上有長為2a=3.8mm的縱向裂紋(看作穿透裂紋)，試估計此容器的剩余強(qiáng)度。解：取安全系數(shù)1.5五、斷裂力學(xué)可以解決的幾類問題

缺陷安全性評價判斷容限尺寸指導(dǎo)選材確定臨界載荷，指導(dǎo)設(shè)計若考慮裂紋產(chǎn)生原因，還可以解決結(jié)構(gòu)斷裂的壽命評價問題

應(yīng)力腐蝕問題疲勞問題六、線彈性斷裂力學(xué)的局限性材料的彈塑性問題線彈性的適用范圍測試工作的要求實際材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系-低碳鋼其他金屬材料在拉伸時的力學(xué)性能錳鋼沒有屈服和局部變形階段強(qiáng)鋁、退火球墨鑄鐵沒有明顯屈服階段線彈性力學(xué)的適用范圍線彈性力學(xué)是建立在小范圍屈服的限制基礎(chǔ)上的。當(dāng)裂紋尖端的塑性區(qū)尺寸比裂紋尺寸或其它特征幾何尺寸小的多的情況。Crack塑性區(qū)K場適用區(qū)線彈性力學(xué)的局限性對中低強(qiáng)度鋼的中小型構(gòu)件以及其他彈塑性材料，塑性區(qū)尺寸較大，在裂紋尖端附近發(fā)生大范圍或全面屈服。對高強(qiáng)度鋼，由于裂紋尺寸很小，以致塑性尺寸和裂紋尺寸達(dá)到相同的數(shù)量級，斷裂在應(yīng)力接近或超過屈服應(yīng)力的情況下發(fā)生。測試工作的要求在測試材料的KIC時,為保證平面應(yīng)變和小范圍屈服,要求試樣厚度試樣太大，浪費材料如：中等強(qiáng)度鋼要求B=99mm一般試驗機(jī)很難做到第三部分

彈塑性斷裂力學(xué)一、彈塑性斷裂力學(xué)的提出對于塑性變形占很大比重的彈塑性斷裂體的斷裂問題用小試樣測試KIC的問題彈塑性斷裂力學(xué)COD方法J積分方法阻力曲線等方法二、COD概述和定義COD—裂紋張開位移(CrackOpeningDisplacement),在平均應(yīng)力σ作用下,裂紋尖端發(fā)生塑性變形,出現(xiàn)塑性區(qū)R,在不增加裂紋長度的情況下,裂紋將沿σ方向產(chǎn)生張開位移,在裂紋的尖端沿垂直于裂紋方向所產(chǎn)生的位移。裂紋尖端張開位移二、COD概述和定義二、COD概述和定義COD原理的基本思想把裂紋體受力后裂紋尖端的張開位移作為一個參量用＝c作為判據(jù)。是裂紋開始擴(kuò)展的判據(jù),不是裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的斷裂判據(jù)全屈服條件下的COD計算方法全屈服條件下,在工程應(yīng)用中,一般有以下幾種計算公式Wells建立的公式普德金(BurdeKin)建立的公式全屈服條件下的COD計算方法蔡琪筑(北京鋼鐵研究院)建立的公式1

無限體中心裂紋1.2-1.5

半無限體單邊裂紋0.7-0.8

表面裂紋日本佐藤建立的公式1

低強(qiáng)度鋼2

高強(qiáng)度鋼COD方法的局限性雖然COD是一種簡單而有效的斷裂判據(jù),但有很大的缺陷它不是一個直接的、嚴(yán)密的應(yīng)力應(yīng)變場參量。COD判據(jù)不能用來預(yù)測起裂后亞臨界擴(kuò)展和最后失穩(wěn)擴(kuò)展的規(guī)律性。J積分的提出在理論上是較嚴(yán)密的應(yīng)力應(yīng)變參量,它在測試和理論分析中能避開裂紋尖端連續(xù)介質(zhì)力學(xué)已不適用的區(qū)域。三、J積分理論1、概述J積分定義及特性全塑性解及工程計算基于J的失效評定圖定義:建立一個圍繞裂紋尖端的圍線積分,這個積分值與積分路徑無關(guān),為一常數(shù),并認(rèn)為這一數(shù)值反應(yīng)了裂尖應(yīng)力應(yīng)變場的強(qiáng)度。2、J積分方法J積分J.R.Rice于1968年提出的裂紋尖端沿逆時針方向J積分的表達(dá)式J積分(Rice積分)的表達(dá)式在彈塑性條件下,在單調(diào)加載過程中裂紋體的應(yīng)變能密度ij-應(yīng)力張量,ij-應(yīng)變張量從裂紋下表面沿逆時針方向到上表面的任意一曲線作用在微元ds上的表面力矢量位移矢量3.J積分的特性3.1J積分的特性守恒性能量線積分,與路徑無關(guān)。通用性和奇異性

積分路線可以在裂紋附近的整個彈性區(qū)域內(nèi),也可以在接近裂紋的頂端附近。J積分值反映了裂紋尖端區(qū)的應(yīng)變能,即應(yīng)力應(yīng)變的集中程度。3.2J積分的守恒性J積分的守恒性就是積分?jǐn)?shù)值與其積分路徑無關(guān)。守恒性的證明3.2J積分的守恒性J積分守恒性存在的條件小變形應(yīng)變位移條件單調(diào)加載條件下積分回路中不能包含體積力J積分與路徑無關(guān)性的存在是不允許卸載為條件的在推導(dǎo)過程中引用了無體積力的平衡微分方程J控制裂紋擴(kuò)展的條件a非比例塑性加載區(qū)J控制裂紋擴(kuò)展的條件a<<R剩余韌帶4.J積分判據(jù)根據(jù)以上分析和證明,J積分可以作為表征彈塑性條件下裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變場的參量。J積分的斷裂判據(jù)為:臨界J積分,表示材料抵抗裂紋擴(kuò)展的斷裂韌性,通過測試獲得。J積分判據(jù)與其它判據(jù)(如K判據(jù)、判據(jù))存在著內(nèi)在聯(lián)系和一致性。數(shù)值計算方法試驗測試方法工程計算方法5.J積分計算方法彈-塑性計算方法J積分工程計算方法實質(zhì)是綜合彈性和全塑性解而形成的計算方法,一般有如下的表達(dá)式彈性分量塑性分量(全塑性解)有效裂紋長度全塑性解全塑性解是由戈德曼(Goldman)和哈欽森(Hutchinson)提出的,并按照塑性變形理論建立了應(yīng)力應(yīng)變場與外加載荷或位移相關(guān)的簡單函數(shù)為a/b和n的無量綱函數(shù),根據(jù)裂紋形狀可建立相應(yīng)的表格函數(shù),可用有限元方法計算出J積分張開位移加載線位移緊湊拉伸試樣對于標(biāo)準(zhǔn)ASTM的緊湊拉伸試樣的全塑性解a/b和n的表格化函數(shù)單位厚度的極限載荷(平面應(yīng)力)(平面應(yīng)變);受拉伸中心開裂板中心開裂板的全塑性解單位厚度的極限載荷平面應(yīng)力平面應(yīng)變6.基于J的失效評定圖失效評定圖的由來根據(jù)英國中央電力管理局(CEGB)的研究工作及Dowling和Townly的雙判據(jù)方法形成的,主要是便于對含裂紋構(gòu)件的安全極限進(jìn)行初步的分析。6.基于J的失效評定圖失效評定圖的實質(zhì)失效評定圖代表了過渡曲線或是在兩個明顯不同失效機(jī)理之間的內(nèi)插曲線。一是由線彈性斷裂力學(xué)定義的斷裂韌性KIC所控制的脆斷,另一個是由極限載荷P0所控制的塑性斷裂。11KrLr失效評定示意圖安全區(qū)失效區(qū)失效線()(三)缺陷評定規(guī)范的發(fā)展縱坐標(biāo)Kr＝KI/KIC，表示用線彈性的應(yīng)力強(qiáng)度因子相對于臨界值KIC(或Kc)的狀態(tài)，越接近1則表示越接近發(fā)生脆斷。橫坐標(biāo)Lr=p/pL，即結(jié)構(gòu)所受載荷P離開其極限載荷(即含缺陷結(jié)構(gòu)的極限載荷)PL的程度，越接近1則表示已很接近極限載荷。評定點落在評定曲線的下方則不會發(fā)生失效。評定點位置離坐標(biāo)原點越近則越安全。評定點越靠近縱軸則預(yù)示越易發(fā)生脆斷失效。中間地帶預(yù)示將隨載荷增加而發(fā)生起裂后的彈塑性撕裂失效。靠橫坐標(biāo)越近，結(jié)構(gòu)越易發(fā)生塑性失穩(wěn)失效。線彈性和彈塑性斷裂力學(xué)的適用范圍FRACTUREBEHAVIOUR各種參量的適用范圍彈塑性斷裂力學(xué)線彈性斷裂力學(xué)應(yīng)力強(qiáng)度因子KCOD參量J積分各種參量之間的關(guān)系在線彈性條件下,這三個參量可以互相替換,它們各自的斷裂判據(jù)都是等效的對I型裂紋第四部分

含缺陷結(jié)構(gòu)安全評定斷裂力學(xué)可以解決的幾類問題

缺陷安全性評價判斷容限尺寸指導(dǎo)選材確定臨界載荷，指導(dǎo)設(shè)計若考慮裂紋產(chǎn)生原因，還可以解決結(jié)構(gòu)斷裂的壽命評價問題

應(yīng)力腐蝕問題疲勞問題缺陷安全評定主要步驟

缺陷尺寸的確定及表征應(yīng)力分析

缺陷評定方法（判據(jù)）的確定

材料性能參數(shù)的確定

斷裂參量的計算

安全系數(shù)結(jié)論（評定缺陷是否允許或是否需要返修）1.缺陷尺寸的確定及表征缺陷的規(guī)則化處理多個缺陷的合并處理可參考規(guī)范：R6，BS7910ASMEXIGB19624－20042.應(yīng)力的確定評定中應(yīng)考慮下列載荷及其產(chǎn)生的應(yīng)力：1）介質(zhì)的壓力及其產(chǎn)生的應(yīng)力；2）介質(zhì)和結(jié)構(gòu)的重力載荷及其產(chǎn)生的應(yīng)力；3）外加機(jī)械載荷及其產(chǎn)生的應(yīng)力；4）振動、風(fēng)載等載荷及其產(chǎn)生的應(yīng)力；5）焊接引起的焊接殘余應(yīng)力；6）錯邊、角變形等結(jié)構(gòu)幾何不連續(xù)在載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)力；7）溫度差、熱脹冷縮不協(xié)調(diào)等產(chǎn)生的熱溫差應(yīng)力或熱應(yīng)力；8）其它應(yīng)該考慮的載荷或應(yīng)力。2.應(yīng)力的確定安全評定的應(yīng)力分類規(guī)則1)一次應(yīng)力

2)二次應(yīng)力缺陷區(qū)域的應(yīng)力線性化

3.缺陷評定方法（判據(jù)）確定

線彈性問題

應(yīng)力強(qiáng)度因子方法（KI＝KIC）彈塑性問題COD方法

（δ＝δc）J積分方法（JI＝JIC）FAD方法4.材料性能參數(shù)的確定1）力學(xué)和物理性能：

屈服點

σs（或條件屈服強(qiáng)度σ

0.2）、抗拉強(qiáng)度

σb、彈性模量E等表征材料力學(xué)性能和物理性能的參數(shù)；2）斷裂韌度：

評定需要以應(yīng)力強(qiáng)度因子表示的斷裂韌度KIC

，在一般情況下是由實測的

積分?jǐn)嗔秧g度（JIC、JC)，或CTOD斷裂韌度（δC

或

δi

）換算得到。

在完成撕裂分析評定還要求獲得包括的整條

阻力曲線JR；5.斷裂參量的計算應(yīng)力強(qiáng)度因子方法：KICOD方法：δJ積分方法：JFAD方法：Lr，Kr5.失效后果嚴(yán)重程度與安全系數(shù)綜合安全系數(shù)法：綜合考慮多種影響因素，以對載荷或?qū)θ毕莩叽缛∫粋€綜合安全系數(shù)的形式保證結(jié)構(gòu)的安全性。分安全系數(shù)法：考慮到各輸入?yún)⒘浚ㄝd荷、缺陷檢測尺寸及所測斷裂韌度等）的不確定性，一般根據(jù)各參量概率分布及變異系數(shù)，是比較先進(jìn)的方法。第五部分概率斷裂力學(xué)一、概述數(shù)理統(tǒng)計斷裂力學(xué)概率斷裂力學(xué)量化基礎(chǔ)方法和手段1.概述確定性斷裂力學(xué)存在的問題以確定性事件表述服從統(tǒng)計特性的材料、缺陷等參數(shù)

載荷的隨機(jī)性和工況的復(fù)雜性

復(fù)雜條件下，確定性簡化方法的合理性問題

結(jié)論的過確定性

……舉例說明：應(yīng)力、強(qiáng)度干涉模型

基本條件：1.判據(jù):

s<r（應(yīng)力小于強(qiáng)度結(jié)構(gòu)不破壞)2.材料強(qiáng)度r服從正態(tài)分布f

(r)，μr為均值，σr2為方差

結(jié)構(gòu)應(yīng)力s服從正態(tài)分布g(s)，μs為均值，σs2為方差。3.合理選擇材料，避免結(jié)構(gòu)破壞。

g(s)f(r)μrμsf(r)r,cg(s)μrμsf(r)g(s)破壞(失效)概率

結(jié)構(gòu)破壞的概率為：P(s＞r)，即當(dāng)材料的強(qiáng)度r小于零件工作應(yīng)力s時，結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)度破壞。當(dāng)破壞概率很小時，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)安全g(s)f(r)r,sμrμs舉例說明-確定性方法處理過程安全系數(shù)法（許用應(yīng)力法）

結(jié)構(gòu)承受外載荷后，由計算得到工作應(yīng)力σ應(yīng)小于該結(jié)構(gòu)件的許用應(yīng)力［σ］，即其中：設(shè)計時應(yīng)力（S設(shè)計）往往取g(s)的上限（最大值）；r’一般取強(qiáng)度分布的下界值（不是均值）；n一般取3。

。g(s)f(r)r,sμrμsS設(shè)計r’g(s)f(r)r,sμrμsS設(shè)計[r]1.概述概率斷裂力學(xué)的幾個基本問題可接受失效概率

隨機(jī)參數(shù)的統(tǒng)計特性描述

失效概率計算概率斷裂力學(xué)的應(yīng)用2.可接受失效概率建立在大量事故統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上1968年英國原子能局（UKAEA）安全衛(wèi)生處和聯(lián)合部技術(shù)委員會（AOTC）工程檢驗機(jī)構(gòu)調(diào)查使用年限在30年以內(nèi)，符合英國BS1500和BS1515等壓力容器規(guī)范的一級壓力容器發(fā)生破壞事故的統(tǒng)計情況如下表所示：壓力容器破壞幾率

年份容器運行災(zāi)難性事故a損傷事故b總計臺·年次數(shù)事故率次數(shù)事故率次數(shù)事故1962-196710030070.7×10－41251.25×10－41321.32×10－41967-1972105400161.5×10－41231.17×10－41391.32×10－42.可接受失效概率一般認(rèn)可的可接受失效概率（壓力容器）失效事故頻率失效事故的后果核電重要設(shè)備：10-6~10-7；非核電重要設(shè)備：10-5~10-6；其它容器：10-3~10-5.X的概率分布——X的有限個可能取值為xi與其概率pi（i=1，2，3，…，n）之間的對應(yīng)關(guān)系。概率分布具有如下兩個基本性質(zhì)：（1）pi≥0，i=1,2,…,n；（2）3.隨機(jī)參數(shù)的統(tǒng)計特性描述3.1常用的概率分布（1）離散型隨機(jī)變量的概率分布（2）連續(xù)型隨機(jī)變量的概率密度連續(xù)型隨機(jī)變量的概率分布表示為：數(shù)學(xué)函數(shù)——概率密度函數(shù)f(x)和分布函數(shù)F(x)

圖形——概率密度曲線和分布函數(shù)曲線（1）f(x)≥0。概率密度是非負(fù)函數(shù)。（2）

隨機(jī)變量X在一定區(qū)間（a，b）上的概率：

f(x)xab正態(tài)分布

-∞<x<∞

σ相同而μ不同的正態(tài)曲線

2xf(x)μ相同而σ不同的正態(tài)曲線f(x)σ較小σ較大x其它常見概率分布指數(shù)分布

圖3-6指數(shù)分布的概率密度其它常見概率分布伽馬(Gamma)分布對數(shù)正態(tài)分布(t≥γ，α＞0，β＞0)三參數(shù)威布爾分布.3.隨機(jī)參數(shù)的統(tǒng)計特性描述3.3斷裂力學(xué)常用參數(shù)的統(tǒng)計特性（1）材料性能參數(shù)：

強(qiáng)度、韌性等多服從威布爾、伽瑪分布等（2）缺陷分布

多為指數(shù)分布，也有鐘形分布情況（3）檢出率（漏檢率）分布

多為指數(shù)分布（4）應(yīng)力

多為鐘形分布，注意復(fù)雜條件下鐘形和離散函數(shù)組合情況。

.4.失效概率的計算（1）解析法（2）數(shù)值法

MonteCarlo模擬法

一次二階矩法……

.MonteCarlo模擬法（1）建立概率分布模型（2）確定隨機(jī)變量的分布規(guī)律與分布參量（3）給出模型中各種不同的抽樣方法（4）模擬抽樣試驗（投針試驗）（5）給出結(jié)果以投幣模擬試驗為例（1）建立概率分布模型0,1模型（0是正面，1為反面）（2）確定隨機(jī)變量的分布規(guī)律與分布參量隨機(jī)變量為離散分布（3）給出模型中各種不同的抽樣方法

采用（0~1）隨機(jī)數(shù)抽樣；若隨機(jī)數(shù)大于0.5記為1（反面），小于0.5為0（正面）。（4）進(jìn)行n次試驗，記錄出現(xiàn)0的次數(shù)（n0）（5）出現(xiàn)正面的概率為：n0/ng(s)f(r)r,sμrμs以應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型為例（1）建立概率分布模型（2）確定隨機(jī)變量的分布規(guī)律與分布參量材料強(qiáng)度r服從正態(tài)分布f

(r)，μr為均值，σr2為方差

結(jié)構(gòu)應(yīng)力s服從正態(tài)分布g(s)，μs為均值，σs2為方差以應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型為例（3）給出模型中各種不同的抽樣方法對正態(tài)分布函數(shù)：引入變化函數(shù)即：利用均勻隨機(jī)數(shù)獲得服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)抽樣。(4)模擬抽樣試驗（投針試驗）按上式對應(yīng)力和強(qiáng)度進(jìn)行抽樣，每進(jìn)行一次模擬試驗時，若r<s記錄一次；共進(jìn)行n次試驗，出現(xiàn)r<s的總次數(shù)為n0以應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型為例（5）失效概率：n0/ng(s)f(r)r,sμrμs基于風(fēng)險檢測(Risk-BasedInspectionRBI)結(jié)構(gòu)完整性分析敏感性分析結(jié)構(gòu)可靠性分析基于可靠性的設(shè)計風(fēng)險分析等4.概率斷裂力學(xué)的應(yīng)用問題基于風(fēng)險檢測(Risk-BasedInspectionRBI)理念：安全性＋經(jīng)濟(jì)性原理：失效概率×失效后果 風(fēng)險排序關(guān)鍵：優(yōu)化管理策略目的：本質(zhì)安全＋節(jié)約成本W(wǎng)HAT：要關(guān)注什么？WHERE：何處去尋找問題？HOW：如何能發(fā)現(xiàn)問題？WHEN：從風(fēng)險級別和經(jīng)濟(jì)性平衡角度確定最佳檢驗時間？

4.1風(fēng)險分析基于風(fēng)險檢測(Risk-BasedInspectionRBI)質(zhì)量管理計劃基于風(fēng)險檢測(Risk-BasedInspectionRBI)失效概率5ⅢⅢⅢⅣⅣ4ⅡⅡⅢⅢⅣ3ⅠⅠⅡⅢⅣ2ⅠⅠⅡⅡⅢ1ⅠⅠⅡⅡⅢ

ABCDE失效后果風(fēng)險矩陣設(shè)備風(fēng)險等級表基于風(fēng)險檢測(Risk-BasedInspectionRBI)理念層面

如：風(fēng)險分析，可靠性設(shè)計技術(shù)層面

分析模型的構(gòu)建問題

樣本分布函數(shù)構(gòu)建和應(yīng)用（小樣本）4.2應(yīng)用問題探討

結(jié)構(gòu)完整性領(lǐng)域的工作情況重大科技攻關(guān)項目國家“七五”重點項目，帶缺陷壓力容器安全性評定研究，含9項專題國家“八五”攻關(guān)課題，在役鍋爐壓力容器安全評估與爆炸預(yù)防技術(shù)研究，含9項專題國家“九五”攻關(guān)課題，在役工業(yè)壓力管道安全評估與重要壓力容器壽命預(yù)測技術(shù)研究，含4項專題國家“十五”攻關(guān)課題，城市埋地燃?xì)夤艿兰肮I(yè)特殊承壓設(shè)備安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究，含6項專題國家“十一五”科技支撐計劃大型機(jī)電類特種設(shè)備安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范腐蝕與高溫環(huán)境下承壓設(shè)備安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用承壓設(shè)備高溫?fù)p傷行為與壽命預(yù)測方法研究及工程應(yīng)用大型高參數(shù)高危險性成套裝置長周期安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究及工程示范其他聯(lián)合承擔(dān)項目基于風(fēng)險評價的城市燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)安全保障（科技部社會公益基金研究專項）基于風(fēng)險與壽命的重要壓力容器設(shè)計制造技術(shù)（863計劃）核電站承壓設(shè)備檢測與安全評價技術(shù)研究（863計劃）第三代核電壓力容器壽命與可靠性評價關(guān)鍵技術(shù)（863計劃）安全評定理論的主要研究成果在役重要壓力容器壽命預(yù)測與安全保障技術(shù)工業(yè)壓力管道安全檢測與評定技術(shù)核電廠壓力容器老化、壽命管理及預(yù)測方法研究化工設(shè)備預(yù)測性維修規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)的研究基于風(fēng)險的檢測(RBI)關(guān)鍵技術(shù)研究在役重要壓力容器壽命預(yù)測與安全保障技術(shù)從缺陷檢測、安全分析與壽命預(yù)測、延壽監(jiān)控等三個方面提出了壓力容器安全保障技術(shù)方法，被采納為國家技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在全國40余家大型石化、冶金、燃?xì)馄髽I(yè)的50余臺高溫臨氫反應(yīng)器、100余臺濕H2S環(huán)境下的球罐、30余臺催化再生器等壓力容器安全保障中成功應(yīng)用。主持編定國標(biāo)GB19624-20042004年上海市科技進(jìn)步一等獎2004年國家安全生產(chǎn)科技成果一等獎

2005年國家科技進(jìn)步二等獎在役重要壓力容器壽命預(yù)測與安全保障技術(shù)工業(yè)壓力管道安全檢測與評定技術(shù)突破了安全狀況等級定量評價、薄壁和大曲率管道焊縫缺陷檢測、復(fù)雜管系結(jié)構(gòu)完整性評估等技術(shù)難題

2003年國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理一等獎2005年國家科進(jìn)步二等獎基于失效評定圖(FAD)的U因子評定方法化工設(shè)備預(yù)測性維修規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)的研究化工設(shè)備預(yù)測性維修規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)的研究，國家科技進(jìn)步二等獎，2004年化工設(shè)備事故預(yù)測技術(shù)，國家科技進(jìn)步二等獎，1999年基于風(fēng)險的檢測(RBI)關(guān)鍵技術(shù)研究初步建立并形成我國RBI技術(shù)的規(guī)范和技術(shù)體系成功應(yīng)用于145個石化裝置12種典型的裝置首次應(yīng)用RBI技術(shù)謝謝大家！從能量分析觀點看斷裂問題－漏水問題示例從能量分析觀點看斷裂問題從能量分析觀點看斷裂問題從能量分析觀點看斷裂問題從能量分析觀點看斷裂