压力容器承压热冲击断裂和疲劳强度的新型高效分析方法

成果包括： - 国家自然科学基金项目“压力容器在强热冲击下防爆安全性分析方法” - 浙江省自然科学基金项目“压力容器急冷防爆安全性分析方法” - 中国船舶工业总公司项目“焊接残余应力场中疲劳裂纹扩展寿命工程分析法” - 浙江工业大学科学研究中心项目“压力容器急冷防爆安全性的三维分析方法” - 上海核工程研究设计院委托开发合同项目“反应堆压力容器热冲击安全性分析方法与系统” - “反应堆压力容器承压热冲击安全性分析方法与程序系统”等项目的研究成果

授权发明专利： - “一种结构件裂纹前缘应力强度因子分布的确定方法”

相关研究论文组成： - 压力容器中不可避免地存在着裂纹。 - 在承压热冲击（PTS）下，裂纹会失稳扩展，产生结构爆裂的重大安全事故。 - 用常规的热弹性力学法或应力权函数法来分析这个问题，计算工作量极大，实际上无法对PTS过程中裂纹的扩展行为进行详细的分析计算。

创新点： - 成果在国际上首创，给出了三维热权函数（TWF）法和综合权函数（UWF）法的基本公式及求解方法。 - 以TWF法和UWF法为核心，绕过了常规方法中对每一时刻t作反复的有限元应力分析这一步，直接通过温度场、表面压力、体积力与UWF的乘积的积分来计算PTS过程中的应力强度因子（SIF）沿裂纹前缘分布的过渡过程，极大地提高了计算效率。

数值方法： - 提出了求解三维TWF法和UWF法基本方程的新型数值方法（多虚拟裂纹扩展法，MVCE法）。 - MVCE法中可以引入无穷多种线性无关的虚拟裂纹扩展模式，对裂纹几何和SIF急剧变化的复杂情况具有良好的数值模拟能力，可以得到很高的计算精度。 - 将MVCE法提升为具有明确数学力学意义、具有更普遍应用领域的有限变分法（FVM），并获授权发明专利。

分析程序系统： - 自行开发了有限元自动建模程序CCMESH、非线性有限元温度场分析程序PCTAP、线性结构静力和动力有限元分析程序PCSAP、SIF直接法计算程序、二维和三维UWF计算程序UWFAP、TWF和UWF法SIF过渡过程计算程序SIFAP等一整套分析程序系统。 - 计算效率可以提高几十乃至上百倍。

实验研究： - 研究了高韧性金属材料的断裂阻力随温度和应变速率的变化规律。 - 研究了弹塑性疲劳裂纹扩展规律。 - 提出了考虑残余应力影响的焊趾表面裂纹疲劳扩展规律和疲劳寿命的工程分析法。

学术贡献： - 在国内外主要学术期刊上发表与该项目有关的论文70余篇。 - 其中，被SCI收录14篇，被EI收录23篇。 - 国际主要学术期刊上发表的8篇论文成果，受到国际同行的关注、肯定性评价或方法直接被使用。 - 在SCI中被引用27篇次，其中去除自引以后的他人引用15篇次。

应用： - 研究成果已经在核压力容器PTS安全性分析中得到应用。 - 已与上海核工程研究设计院合作，将所开发的整套二维和三维TWF和UWF法程序系统应用于“核电厂压力容器老化、寿命管理与预测方法”（核工业总公司核电通用技术研究）研究项目之中。

成果包括国家自然科学基金“压力容器在强热冲击下防爆安全性分析方法”、浙江省自然科学基金“压力容器急冷防爆安全性分析方法”、中国船舶工业总公司项目“焊接残余应力场中疲劳裂纹扩展寿命工程分析法”、浙江工业大学科学研究中心项目“压力容器急冷防爆安全性的三维分析方法”、上海核工程研究设计院委托开发合同项目“反应堆压力容器热冲击安全性分析方法与系统”和“反应堆压力容器承压热冲击安全性分析方法与程序系统”等项目的研究成果，授权发明专利“一种结构件裂纹前缘应力强度因子分布的确定方法”以及相关的一组研究论文组成。压力容器中不可避免地存在着裂纹。在承压热冲击(PTS)下，裂纹会失稳扩展，产生结构爆裂的重大安全事故。用常规的热弹性力学法或应力权函数法来分析这个问题，计算工作量极大，实际上无法对PTS过程中裂纹的扩展行为进行详细的分析计算。成果在国际上首创，给出了三维热权函数(TWF)法和综合权函数(UWF)法的基本公式及求解方法。以TWF法和UWF法为核心，绕过了常规方法中所需要做的对每一时刻t作反复的有限元应力分析这一步，直接通过温度场、表面压力、体积力与UWF的乘积的积分来计算PTS过程中的应力强度因子(SIF)沿裂纹前缘分布的过渡过程，极大地提高了计算效率。成果在国际上首创，提出了求解三维TWF法和UWF法基本方程的新型数值方法(多虚拟裂纹扩展法，MVCE法)。在MVCE法中可以引入无穷多种线性无关的虚拟裂纹扩展模式，对裂纹几何和SIF急剧变化的复杂情况具有良好的数值模拟能力，可以得到很高的计算精度。继而又将MVCE法提升为具有明确数学力学意义、具有更普遍应用领域的有限变分法(FVM)，并获授权发明专利。该项目自行开发了有限元自动建模程序CCMESH、非线性有限元温度场分析程序PCTAP、线性结构静力和动力有限元分析程序PCSAP、SIF直接法计算程序、二维和三维UWF计算程序UWFAP、TWF和UWF法SIF过渡过程计算程序SIFAP等一整套分析程序系统。计算效率可以提高几十乃至上百倍。实验研究了高韧性金属材料的断裂阻力随温度和应变速率的变化规律，研究了弹塑性疲劳裂纹扩展规律，提出了考虑残余应力影响的焊趾表面裂纹疲劳扩展规律和疲劳寿命的工程分析法。在国内外主要学术期刊上发表与该项目有关的论文70余篇。其中，被SCI收录14篇，被EI收录23篇。在国际主要学术期刊上所发表的8篇论文的成果，受到国际同行的关注、肯定性评价或方法直接被使用，在SCI中被引用27篇次，其中去除自引以后的他人引用15篇次。研究成果已经在核压力容器PTS安全性分析中得到应用。已与上海核工程研究设计院合作，将所开发的整套二维和三维TWF和UWF法程序系统应用于“核电厂压力容器老化、寿命管理与预测方法”(核工业总公司核电通用技术研究)研究项目之中。