[發明專利]面內及面外統一拘束與材料延性斷裂韌性關系的確定方法

有效

• 申請號: 201310454481.9
• 申請日: 2013-09-27
• 公開（公告）號: CN103471940A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 楊杰;王國珍;軒福貞;涂善東
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: G01N3/28
• 分類號: G01N3/28
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪

技術領域

本發明屬于結構完整性評定技術領域，具體涉及一種面內及面外統一拘束與材料延性斷裂韌性關系的確定方法，通過該方法可獲得準確的拘束相關的材料延性斷裂韌性，為建立納入拘束效應的結構完整性評價方法提供技術基礎。

背景技術

在目前的結構完整性評定中，一般用深裂紋高拘束的標準試樣測得的材料斷裂韌性下限值對實際結構的安全性進行評定。然而，大量實驗和研究表明，材料的斷裂韌性（包括延性和脆性斷裂韌性）受試樣/結構幾何、裂紋尺寸和加載方式等因素的影響，這種影響通常被稱為“拘束效應”。拘束的增加導致材料斷裂韌性的降低。在實際壓力容器、管線等結構中，缺陷一般為低拘束的表面淺裂紋，如用高拘束試樣測得的斷裂韌性下限值評定實際結構中低拘束的裂紋，將產生過于保守的結果；反之，用其評定實際結構中個別拘束很高的裂紋，可能產生非保守的結果。因此，實驗室試樣與實際結構拘束的匹配是保證結構完整性評定準確性的關鍵。為此,需要考慮試樣/結構幾何、裂紋尺寸和加載方式等因素對材料斷裂韌性的影響，建立拘束與材料斷裂韌性的關系，并將其納入結構完整性評定中。

拘束一般分為面內拘束和面外拘束，面內拘束受裂紋擴展方向上試樣/結構尺寸（如未開裂韌帶長度）的影響；面外拘束則受與裂紋前沿相平行的方向上試樣/結構尺寸（如試樣厚度）的影響。為建立納入拘束效應的結構完整性評定方法，首先需要對拘束進行定量化表征。目前，國內外發展出的可以定量化表征拘束的參數主要有T應力參數、Q參數和A₂參數等，并通過大量不同拘束試樣的斷裂韌性試驗建立拘束與材料斷裂韌性的關聯。然而，T、Q和A₂等參數均是基于二維平面應變裂尖應力場的數學解析解建立起來的，其主要表征的是面內拘束，無法準確表征面外拘束。且這些參數在實際應用中也有諸多局限，如T應力參數是一個彈性參數，不能用于裂尖塑性區擴展的情況；Q是一個彈塑性拘束參數，但與載荷和裂尖距離相關，不能用于裂尖大范圍屈服和彎曲加載的情況；A₂參數僅適合于冪律本構材料，且其計算過程比較復雜。也即是說，目前基于這些參數建立的拘束與材料斷裂韌性的關系及應用，一方面未有效納入面外拘束的影響；另一方面，基于不同拘束試樣的斷裂韌性試驗建立拘束與斷裂韌性關系的方法，成本高且復雜。

發明內容

針對上述拘束參數的局限性及建立拘束與材料斷裂韌性關系的高成本和復雜性，本發明提出一種面內及面外統一拘束與材料延性斷裂韌性關系的確定方法，通過統一拘束參數同時表征面內及面外拘束，并且采用基于有限元計算的簡便方法建立統一拘束參數與材料延性斷裂韌性的關系。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種面內及面外統一拘束與材料延性斷裂韌性關系的確定方法，該方法包括如下步驟：

（1）選取待測材料的標準試樣，通過試驗測得該標準試樣的J-R曲線，根據該J-R曲線獲得標準試樣的延性斷裂韌性作為參考延性斷裂韌性J_ref；

對標準試樣建立有限元模型，將待測材料的真應力-真應變曲線、彈性模量E、泊松比ν以及GTN模型參數輸入標準試樣的有限元模型，通過有限元計算獲得標準試樣的J-R曲線；

調整GTN模型參數，重復上述計算過程，直至計算得到的J-R曲線與試驗測得的J-R曲線基本重合，此時對應的GTN模型參數，即為標定后的GTN模型參數；

（2）選取待測材料的不同面內及面外拘束試樣，對不同面內及面外拘束試樣建立有限元模型，將待測材料的真應力-真應變曲線、彈性模量E、泊松比ν以及標定后的GTN模型參數輸入不同面內及面外拘束試樣的有限元模型，通過有限元計算獲得不同面內及面外拘束試樣的J-R曲線，根據該J-R曲線獲得不同面內及面外拘束試樣的延性斷裂韌性J_IC；

（3）計算標準試樣在其延性斷裂韌性J_ref對應的載荷條件下的裂紋尖端的等效塑性應變PEEQ=x的等值回路曲線所圍區域的面積作為參考面積A_ref；

計算不同面內及面外拘束試樣在其延性斷裂韌性J_IC對應的載荷條件下的裂紋尖端的等效塑性應變PEEQ=x的等值回路曲線所圍區域的面積A_PEEQ；

計算不同面內及面外拘束試樣的統一拘束參數A_p=A_PEEQ/A_ref；