一種實際含裂紋結(jié)構(gòu)斷裂韌性的確定方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)性能評定方法，特別涉及一種實際含裂紋結(jié)構(gòu)斷裂韌性的確 定方法。
【背景技術】
[0002] 在目前的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的安全性進行評定。然而，大量實驗和研究表明，材料的斷裂韌性受試 樣/結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中低拘束的裂紋，將產(chǎn)生 過于保守的結(jié)果；反之，用其評定實際結(jié)構(gòu)中個別拘束很高的裂紋，可能產(chǎn)生非保守的結(jié) 果。因此，為了進行準確的缺陷安全性評定和壽命預測，需要在結(jié)構(gòu)完整性評定中納入拘束 效應，準確測量不同結(jié)構(gòu)的斷裂韌性。
[0003] 在目前的結(jié)構(gòu)完整性評定中，往往尋找與實際結(jié)構(gòu)拘束度相匹配的實驗室試樣， 通過測量實驗室試樣斷裂韌性的方法來確定結(jié)構(gòu)的斷裂韌性。這種方法不能直接對結(jié)構(gòu)的 斷裂韌性進行測量，且未必能找到拘束度相匹配的實驗室試樣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是針對目前的結(jié)構(gòu)完整性評定中確定結(jié)構(gòu)的斷裂韌性困難的問題，提出了 一種確定實際含裂紋結(jié)構(gòu)斷裂韌性的方法?？蓽蚀_獲得不同含裂紋結(jié)構(gòu)的斷裂韌性，為準 確的結(jié)構(gòu)完整性評定提供技術基礎。
[0005] 本發(fā)明的技術方案為:一種實際含裂紋結(jié)構(gòu)斷裂韌性的確定方法，具體包括如下 步驟：
[0006] 1)結(jié)構(gòu)中所用材料的斷裂韌性JC與統(tǒng)一拘束參數(shù)~關聯(lián)線的確定：
[0007] 首先，根據(jù)ASTM E1820標準，選擇一定尺寸的試樣作為標準試樣，再選擇至少一組 非標準尺寸試樣，對選擇的試樣進行斷裂力學實驗，測量試樣的斷裂韌性Jc;
[0008] 然后，對所選試樣建立有限元模型，計算不同試樣斷裂韌性所對應的裂紋尖端 PEEQ = 0 · 2或0 · 3等值線所圍面積APEEQ;
[0009] 最后，選用上述標準試樣測量的斷裂韌性上及其對應的等值線所圍面積APEEQ作為 參考斷裂韌性值Jrrf和參考面積值Arrf，以不同試樣無量綱化后的斷裂韌性J c/Jre3f為縱坐 標，以不同試樣無量綱化后的等值線所圍面積APEEQ/Arrf的平方根
為橫坐標作圖，AP = ApEEQ/Aref，即可得到
[0011] 2)實際工況下含裂紋結(jié)構(gòu)中J積分與統(tǒng)一拘束參數(shù)AP關聯(lián)線的確定：
[0012] 建立實際工況下含裂紋結(jié)構(gòu)的有限元模型，計算實際結(jié)構(gòu)中裂紋尖端J積分與 PEEQ = 0.2或0.3等值線所圍面積Apeeq，以上述中所選Jref與Aref作為參考對至少兩組J積分 與對應的APEEQ進行無量綱化，得到實際結(jié)構(gòu)中裂紋尖端J積分與PEEQ等值線所圍面積之間

[0013] 3)實際結(jié)構(gòu)斷裂韌性的確定：
[0014] 在同一個坐標系中繪制兩條直線 其交點即為結(jié)構(gòu)失效 點，交點的縱坐標乘以Jrrf所得數(shù)值即為實際結(jié)構(gòu)的斷裂韌性。
[0015] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明確定實際含裂紋結(jié)構(gòu)斷裂韌性的方法，通過有限 元模型，實現(xiàn)實際含裂紋結(jié)構(gòu)斷裂韌性的確定。其成本低、簡單可靠，便于工程實踐中應用， 為準確的結(jié)構(gòu)完整性評定提供依據(jù)。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明舉例中三點彎曲試樣的尺寸及加載示意圖；
[0018] 圖3為本發(fā)明管道的幾何尺寸與裂紋尺寸示意圖；
[0019] 圖4為本發(fā)明實際結(jié)構(gòu)斷裂韌性的確定示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 確定實際含裂紋結(jié)構(gòu)斷裂韌性的方法具體步驟包括：
[0021] 1、結(jié)構(gòu)中所用材料的斷裂韌性jc與統(tǒng)一拘束參數(shù)~關聯(lián)線的確定：
[0022] (1)根據(jù)ASTM E1820標準，選擇一定尺寸的試樣作為標準試樣，再選擇至少一組非 標準尺寸試樣（用更多試樣可得到更準確的結(jié)果），對選擇的試樣進行斷裂力學實驗，測量 試樣的斷裂韌性Jc。
[0023] (2)對所選試樣建立有限元模型，計算不同試樣斷裂韌性所對應的裂紋尖端PEEQ =0.2 (或0.3)等值線所圍面積Apeeq。
[0024] (3)選用上述標準試樣測量的斷裂韌性其對應的等值線所圍面積APEEQ作為參 考斷裂韌性值Jrrf和參考面積值Arrf，以不同試樣無量綱化后的斷裂韌性Jc/Jrrf為縱坐標， 以不同試樣無量綱化后的等值線所圍面積A PEEQ/Arrf (即統(tǒng)一拘束參數(shù)AP，AP = APEEQ/Arrf)的
為橫坐標作圖，即可得到
[0026] 2、實際工況下含裂紋結(jié)構(gòu)中J積分與統(tǒng)一拘束參數(shù)AP關聯(lián)線的確定
[0027] 建立實際工況下含裂紋結(jié)構(gòu)的有限元模型，計算實際結(jié)構(gòu)中裂紋尖端J積分與 PEEQ = 0.2 (或0.3)等值線所圍面積Apeeq。以上述中所選Jref與Aref作為參考對至少兩組J積 分與對應的Apeeq進行無量綱化，得到實際結(jié)構(gòu)中裂紋尖端J積分與PEEQ等值線所圍面積之
[0028] 3、實際結(jié)構(gòu)斷裂韌性的確定：
[0029] 在同一個坐標系中繪制兩條直線：
其交點即為結(jié)構(gòu)失效 點，交點的縱坐標乘以Jrrf所得數(shù)值即為實際結(jié)構(gòu)的斷裂韌性。
[0030] 舉例：
[0031]結(jié)構(gòu)中所用材料的斷裂韌性Jc與統(tǒng)一拘束參數(shù)~關聯(lián)線的確定：
[0032] (1)選用核電壓力容器材料A508鋼，根據(jù)ASTM E1820標準，選用厚度B=16mm、高度 W= 2B = 32mm，裂紋相對深度a/W = 0.5 (a為裂紋深度)的三點彎曲試樣作為標準試樣，試樣 尺寸及加載示意圖如圖1所示。選擇非標準試樣的尺寸為:B = 16mm、高度W = 2B = 32mm，裂紋 相對深度a/W = 0.3。對兩組試樣分別進行斷裂韌性實驗，獲得材料在不同尺寸下的斷裂韌 性 Jci，JC2。
[0033] (2)對所選試樣建立有限元模型，計算兩組試樣斷裂韌性所對應的裂紋尖端PEEQ =0.2等值線所圍面積Apeeqi，Apeeq2。
[0034] (3)選用a/W=0.5標準試樣測量的斷裂韌性Jm及其對應的等值線所圍面積APEEQ1 作為參考斷裂韌性值Jrrf和參考面積值Arrf，以不同試樣無量綱化后的斷裂韌性JC1/jre3f， Jc2/Jref為縱坐標，以不同試樣的統(tǒng)一拘束參數(shù)Apl (即ApEEQl/Aref )，AP2(即APEEQ2/Aref )的平方 根為橫坐標作圖，
關聯(lián)線，如圖2所示。
[0035] 實際工況下含裂紋結(jié)構(gòu)J積分與統(tǒng)一拘束參數(shù)AP關聯(lián)線的確定：
[0036] 實際結(jié)構(gòu)以管道為例。假設管道中有一橢圓形裂紋，管道尺寸及裂紋尺寸如圖3所 示。其中a/t = 0.2，a/c = 0.2(a為裂紋深度，2c為裂紋長度，t為管道厚度）。建立實際工況下 管道的有限元模型，計算裂紋尖端J積分與等值線所圍面積A PEEQ。以選用的Jrrf與Arrf作為參 考對至少兩組J積分與對應的APEEQ進行無量綱化，得到管道中裂紋尖端J積分與PEEQ等值線 所圍面積之間的關聯(lián)線
，.如圖4中紅色線所示。
[0037]實際結(jié)構(gòu)斷裂韌性的確定：
[0038]在同一個坐標系中繪制兩條直線：
其交點的縱坐標 乘以所得數(shù)值即為管道的斷裂韌性，如圖4所示。
【主權項】
1. 一種實際含裂紋結(jié)構(gòu)斷裂韌性的確定方法，其特征在于，具體包括如下步驟： 1) 結(jié)構(gòu)中所用材料的斷裂韌性JC與統(tǒng)一拘束參數(shù)~關聯(lián)線的確定： 首先，根據(jù)ASTM E1820標準，選擇一定尺寸的試樣作為標準試樣，再選擇至少一組非標 準尺寸試樣，對選擇的試樣進行斷裂力學實驗，測量試樣的斷裂韌性Jc; 然后，對所選試樣建立有限元模型，計算不同試樣斷裂韌性所對應的裂紋尖端PEEQ = 0.2或0.3等值線所圍面積Apeeq ; 最后，選用上述標準試樣測量的斷裂韌性JoS其對應的等值線所圍面積APEE(^t為參考 斷裂韌性值Jrrf和參考面積值Arrf，以不同試樣無量綱化后的斷裂韌性Jc/Jrrf為縱坐標，以 不同試樣無量綱化后的等值線所圍面積APEEQ/Arrf的平方根_^:為橫坐標作圖，Α Ρ = Α_/ Aref，即可得到關聯(lián)線； 2) 實際工況下含裂紋結(jié)構(gòu)中J積分與統(tǒng)一拘束參數(shù)AP關聯(lián)線的確定： 建立實際工況下含裂紋結(jié)構(gòu)的有限元模型，計算實際結(jié)構(gòu)中裂紋尖端J積分與PEEQ = 0.2或0.3等值線所圍面積Apeeq，以上述中所選Jref與Aref作為參考對至少兩組J積分與對應 的Apeeq進行無量綱化，得到實際結(jié)構(gòu)中裂紋尖端J積分與PEEQ等值線所圍面積之間的關聯(lián) 線：；3) 實際結(jié)構(gòu)斷裂韌性的確定： 在同一個坐標系中繪制兩條直線： 其交點即為結(jié)構(gòu)失效點， 交點的縱坐標乘以Jrrf所得數(shù)值即為實際結(jié)構(gòu)的斷裂韌性。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種確定實際含裂紋結(jié)構(gòu)斷裂韌性的方法。通過先進行結(jié)構(gòu)中所用材料的斷裂韌性JC與統(tǒng)一拘束參數(shù)Ap關聯(lián)線的確定，然后進行實際工況下含裂紋結(jié)構(gòu)中J積分與統(tǒng)一拘束參數(shù)Ap關聯(lián)線的確定，最后在同一個坐標系中繪制前兩個確定所得兩條直線，其交點即為結(jié)構(gòu)失效點，交點的縱坐標乘以參考斷裂韌性值所得數(shù)值即為實際結(jié)構(gòu)的斷裂韌性。本發(fā)明通過有限元模型，實現(xiàn)實際含裂紋結(jié)構(gòu)斷裂韌性的確定。其成本低、簡單可靠，便于工程實踐中應用，為準確的結(jié)構(gòu)完整性評定提供依據(jù)。
【IPC分類】G01N3/08
【公開號】CN105606448
【申請?zhí)枴緾N201510560593
【發(fā)明人】楊杰
【申請人】上海理工大學
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年9月6日