纳入面内与面外统一拘束的结构完整性评定方法技术

本发明专利技术提供一种纳入面内与面外统一拘束的结构完整性评定方法，包括：建立材料的标称断裂韧性与统一拘束参数的关联式；统一拘束参数为其它试样或待评定结构的裂纹尖端张开位移与参考试样在断裂载荷时的裂纹尖端张开位移值的比值；对结构几何尺寸和缺陷尺寸进行表征；确定结构极限载荷和不同载荷比下的统一拘束参数；构建缺陷的失效评定图；确定每个载荷比下的评定点坐标以形成加载路径线；在计算评定点坐标的断裂比时，通过将不同载荷比下的拘束参数代入关联式中，确定材料拘束相关的断裂韧性；进行缺陷安全性评定与断裂预测。本发明专利技术的评定方法提出基于裂尖张开位移的统一拘束参数，使面内拘束和面外拘束统一，便于工程计算和应用并提高评定精度。算和应用并提高评定精度。算和应用并提高评定精度。

【技术实现步骤摘要】
纳入面内与面外统一拘束的结构完整性评定方法


[0001]本专利技术属于结构完整性评定
，具体涉及一种纳入面内与面外统一拘束的结构完整性评定方法。通过本方法可提高含缺陷结构完整性评定的精度，减小传统方法过大的保守性或消除非保守。

技术介绍

[0002]目前的含缺陷结构(如压力容器、管道等各种工程结构和设备)的完整性评定技术和方法主要是基于传统的单参数断裂力学而建立，用线弹性应力强度因子K或弹塑性J积分单一参数描述裂尖应力场强度，其断裂判据为K≥K
C
或J≥J
C
。材料的断裂韧性K
C
和J
C
一般用深裂纹、大尺寸的平面应变高拘束标准试样测定，以得到材料断裂韧性的下限值对实际含缺陷结构的完整性(安全性)进行评定。然而，大量实验和研究表明，材料的断裂韧性受试样/结构几何、裂纹尺寸和加载方式等因素的影响，其本质是这些因素影响裂尖前的应力状态，通常被称为裂尖“拘束效应”。裂尖拘束的减小使材料断裂韧性增大。在实际压力容器、管道等结构中，缺陷一般为表面浅裂纹，具有较低的裂尖拘束，如用标准高拘束试样测得的材料断裂韧性下限值评定实际结构中的低拘束裂纹，将产生过于保守的结果；反之，用其评定实际结构中拘束很高的裂纹，可能产生非保守的结果。因此，实验室试样与实际结构裂尖拘束的匹配是提高结构完整性评定精度的关键。为此,需要考虑试样/结构几何、裂纹尺寸和加载方式等因素对材料断裂韧性的影响，建立纳入拘束效应的结构完整性评定方法。
[0003]裂尖拘束一般分为面内拘束和面外拘束，面内拘束受裂纹扩展方向上试样/结构尺寸(如裂纹深度或未开裂韧带长度)的影响；面外拘束则受与裂纹前沿相平行的方向上试样/结构尺寸(如试样厚度)的影响。为建立纳入拘束效应的结构完整性评定方法，首先需要对裂尖拘束进行定量化表征，研究和发展能准确表征裂尖拘束的参数。
[0004]近三十年来，国内外研究者基于裂尖应力场分析提出的主要拘束参数包括:T,Q,A2,T
z
等参数，并发展出了K-T，J-T，J-Q，J-A2，J-T
z
等二参数断裂力学理论，用包含拘束效应的两个参数描述裂尖应力场，并用于含缺陷结构的完整性评定。然而，这些拘束参数主要表征面内或面外单一拘束，如T，Q和A2可以表征面内拘束，而Tz是表征面外拘束的参数。但对于实际的工程结构或部件，由于结构几何、裂纹尺寸和形状及加载方式的不同，面内与面外拘束同时存在，因此需要发展可以同时表征面内和面外拘束及其交互作用的统一拘束参数。
[0005]英国研究者提出了基于裂尖塑性区尺寸的统一拘束参数，但参数在较高载荷或较大裂尖塑性变形的情况下失效。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种纳入面内与面外统一拘束的结构完整性评定方法，以使得面内拘束和面外拘束统一，便于工程计算和应用，并提高评定精度。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供一种纳入面内与面外统一拘束的结构完整性评定
方法，包括：
[0008]S1：建立待评定结构的材料的标称断裂韧性与统一拘束参数A
d
的关联式；
[0009]所述统一拘束参数A
d
为：
[0010][0011]其中，δ
ref
为参考试样在断裂载荷时的裂纹尖端张开位移值，δ为其它试样或待评定结构在断裂载荷或一固定的载荷比下的裂纹尖端张开位移值；
[0012]标称断裂韧性J
C
/J
ref
和统一拘束参数A
d
的关联式为：
[0013]J
C
/J
ref
＝f(A
d
)，
[0014]其中，J
C
为断裂韧性，J
ref
为参考试样的断裂韧性J
C
，f(A
d
)为断裂韧性的拘束函数；
[0015]S2：对待评定结构的几何尺寸和缺陷尺寸进行表征；
[0016]S3：确定待评定结构的极限载荷P
L
，并确定不同载荷比下的统一拘束参数A
d
；
[0017]S4：构建待评定结构的缺陷的失效评定图；
[0018]S5：确定每个载荷比L
r
下的评定点坐标，以形成一条加载路径线；
[0019]评定点坐标(L
r
,K
r
)为：
[0020]L
r
＝P/P
L
，
[0021]K
r
＝K1/K
C
，
[0022]P为待评定结构的外加载荷；P
L
为待评定结构的极限载荷；L
r
为载荷比；K1为裂纹尖端的应力强度因子；K
C
为用应力场强度表示的材料断裂韧性；K
r
为断裂比；
[0023]所述断裂比K
r
通过采用上述步骤S1中建立的材料断裂韧性与统一拘束参数A
d
的关联式，并通过将步骤S3确定的不同载荷比L
r
下的统一拘束参数A
d
代入该关联式中，由此确定在每个载荷比L
r
下的材料拘束相关的断裂韧性J
C
(A
d
)，随后将其转化为用应力场强度表示的材料断裂韧性K
C
；
[0024]S6：进行缺陷安全性评定与断裂预测。
[0025]所述步骤S1包括：
[0026]S11：确定待评定结构的材料的一组不同拘束的试样的断裂韧性J
C
，在该组试样中，必须包括1个满足ASTM E1820标准的标准高拘束平面应变试样，以作为参考试样；
[0027]S12：确定所述不同拘束的试样的统一拘束参数A
d
；
[0028]S13：建立标称断裂韧性与统一拘束参数A
d
的关联式。
[0029]所述步骤S11包括：
[0030]S111：设计并用待测制造结构的材料制作至少6个不同拘束的一组试样，不同拘束的试样包括面内拘束改变、面外拘束改变或二者同时改变的试样，面内拘束的改变通过改变试样裂纹深度比a/W实现；面外拘束的改变通过改变试样厚度B实现；
[0031]S112：测定所述不同拘束的试样在待评定结构要求的环境下各自的断裂韧性J
C
；
[0032]所述步骤S12包括：
[0033]S121：对所述不同拘束的试样按试样尺寸建立第一有限元力学模型，第一有限元力学模型中采用待评定结构的材料的力学性能参数和本构参数；
[0034]S122：采用步骤S121的第一有限元力学模型来计算得到参考试样在断裂载荷时的裂纹尖端张开位移值δ
ref
和其它试样在断裂载荷时的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳入面内与面外统一拘束的结构完整性评定方法，其特征在于，包括：步骤S1：建立待评定结构的材料的标称断裂韧性与统一拘束参数A
d
的关联式；所述统一拘束参数A
d
为：其中，δ
ref
为参考试样在断裂载荷时的裂纹尖端张开位移值，δ为其它试样或待评定结构在断裂载荷或一固定的载荷比下的裂纹尖端张开位移值；标称断裂韧性J
C
/J
ref
和统一拘束参数A
d
的关联式为：J
C
/J
ref
＝f(A
d
)，其中，J
C
为断裂韧性，J
ref
为参考试样的断裂韧性J
C
，f(A
d
)为断裂韧性的拘束函数；步骤S2：对待评定结构的几何尺寸和缺陷尺寸进行表征；步骤S3：确定待评定结构的极限载荷P
L
，并确定不同载荷比下的统一拘束参数A
d
；步骤S4：构建待评定结构的缺陷的失效评定图；步骤S5：确定每个载荷比L
r
下的评定点坐标，以形成一条加载路径线；评定点坐标(L
r
,K
r
)为：L
r
＝P/P
L
，K
r
＝K1/K
C
，P为待评定结构的外加载荷；P
L
为待评定结构的极限载荷；L
r
为载荷比；K1为裂纹尖端的应力强度因子；K
C
为用应力场强度表示的材料断裂韧性；K
r
为断裂比；所述断裂比K
r
通过采用上述步骤S1中建立的材料断裂韧性与统一拘束参数A
d
的关联式，并通过将步骤S3确定的不同载荷比L
r
下的统一拘束参数A
d
代入该关联式中，由此确定在每个载荷比L
r
下的材料拘束相关的断裂韧性J
C
(A
d
)，随后将其转化为用应力场强度表示的材料断裂韧性K
C
；步骤S6：进行缺陷安全性评定与断裂预测。2.根据权利要求1所述的纳入面内与面外统一拘束的结构完整性评定方法，其特征在于，所述步骤S1包括：步骤S11：确定待评定结构的材料的一组不同拘束的试样的断裂韧性J
C
，在该组试样中，必须包括1个满足ASTM E1820标准的标准高拘束平面应变试样，以作为参考试样；步骤S12：确定所述不同拘束的试样的统一拘束参数A
d
；步骤S13：建立标称断裂韧性与统一拘束参数A
d
的关联式。3.根据权利要求2所述的纳入面内与面外统一拘束的结构完整性评定方法，其特征在于，所述步骤S11包括：步骤S111：设计并用待测制造结构的材料制作至少6个不同拘束的一组试样，不同拘束的试样包括面内拘束改变、面外拘束改变或二者同时改变的试样，面内拘束的改变通过改变试样裂纹深度比a/W实现；面外拘束的改变通过改变试样厚度B实现；步骤S112：测定所述不同拘束的试样在待评定结构要求的环境下各自的断裂韧性J
C
；所述步骤S12包括：步骤S121：对所述不同拘束的试样按试样尺寸建立第一有限元力学模型，第一有限元力学模型中采用待评定结构的材料的力学性能参数和本构参数；
步骤S122：采用步骤S121的第一有限元力学模型来计算得到参考试样在断裂载荷时的裂纹尖端张开位移值δ
ref
和其它试样在断裂载荷时的裂纹尖端张开位移值δ，并由此得到不同拘束的试样在断裂载荷时的统一拘束参数A
d
；在所述步骤S13中，通过对不同拘束的试样的J

【专利技术属性】
技术研发人员：王国珍，王雨涵，涂善东，轩福贞，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：