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本文通过大量不同几何尺寸试样(不同面内/面外拘束)的J积分和裂尖张开位移(CTOD)的有限元数值计算,结合材料断裂韧性试验数据及理论分析的方法,主要研究基于CTOD的载荷无关的面内与面外统一拘束参数Ad*及其应用基础。研究工作及得到的主要结论如下:(1)基于统一拘束参数Ad定义了一个载荷无关的面内与面外统一拘束参数Ad*。通过不同几何尺寸试样的Ad*的有限元计算,验证了其载荷无关性及可同时表征面内与面外拘束的能力。(2)基于大量三维有限元分析,计算得到了宽范围不同几何尺寸的四种试样(C(T)、SEN(B)、SEN(T)和M(T))的统一拘束参数Ad*的解。探明了试样厚度比B/W,试样宽度W和裂纹深度a/W对不同试样拘束参数Ad*的影响规律。为设计不同拘束水平的标准和非标试样,建立材料拘束相关的断裂韧性,及实现不同几何尺寸试样断裂韧性的转换及试样与结构拘束的比较和关联提供了依据。(3)不同合金钢及不同拘束试样的延性和脆性断裂韧性Jc/Jref数据与拘束参数Ad*之间可以形成一条单调的关联曲线,进一步表明参数Ad*是一个可同时表征面内/面外拘束的载荷无关的统一拘束参数。通过关联曲线拟合得到了不同合金钢的断裂韧性Jc/Jref与拘束参数Ad*的数学关联式。(4)异种金属焊接接头不同拘束试样的断裂韧性Jc/Jref和拘束参数Ad*之间也可以形成一条单调的关联曲线,表明拘束参数Ad*可同时纳入焊接接头裂纹的面内/面外几何拘束和材料拘束。通过关联数据拟合获得了焊接接头不同位置裂纹的断裂韧性Jc/Jref与参数Ad*的数学关联式。(5)基于参数Ad*和核电压力容器A508钢和X80管线钢不同拘束试样的试验J-R阻力曲线,研究提出了构建材料拘束相关的J-R阻力曲线的方法,并获得了两种钢的拘束相关的J-R阻力曲线的数学方程,并验证了其对不同拘束试样J-R阻力曲线预测的准确性。所构建的J-R阻力曲线方程可用于结构(如压力容器、管道等)的延性撕裂及裂纹扩展稳定性评定,以提高传统不考虑拘束评定的精度。