基于修正GTN 模型的不锈钢管剪切过程韧性断裂准则研究

董建鹏，王时龙，周 杰，杨 波，马 驰

(重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044)

乏燃料组件是核反应堆卸载出来的不能再维持临界反应的组件，目前世界范围内核发达国家多采用“闭式燃料循环”处理乏燃料组件[1]，该方法需要将乏燃料组件剪切成小段，以方便后续化学提取残留的核元素[2]。不锈钢管是乏燃料组件的重要组成部分，由于其自身较高的延展性，剪切过程中易造成刀具崩刃甚至局部断裂[3]，因此研究不锈钢管的剪切机理对提高刀具的使用寿命有重要作用。然而，近年来对管材旋压[4]、弯曲[5]、矫直[6]、冲压[7]等加工方式的研究较多，但对剪切过程的探索仍比较少，尤其是涉及不锈钢管剪切领域的工作。目前现有文献多集中在管材断裂前的弹塑性变形阶段[8 − 9]，缺乏对后续韧性断裂过程的研究。此外，在模拟变形过程中多采用连续损伤力学方法[10]，力学模型上未考虑实际材料的不均匀性，由此无法准确反映材料的变形破坏情况。

作者在之前的工作中，采用修正Gurson-Tvergaard-Needleman 模型(GTN-J 模型)研究了SUS304 不锈钢管剪切的断裂机理，但是该模型在最大剪切力的预测上仍存在较大的误差，其原因在于随着刀具的移动，钢管的强度随着损伤的累积不断减小，因此钢管不同位置的临界损伤阈值应该是不同的，而GTN-J 模型中的断裂准则被设置为恒定的常数(即当损伤超过该临界值，单元断裂)。鉴于此，本文在该模型基础上，同时考虑不锈钢管中空的特殊结构，对GTN-J 模型的断裂准则进行改进，从而建立适宜于不锈钢管剪切的损伤模型。……