CN101183058A - T型楔形张开加载试样关键数据的计算装置 - Google Patents

Abstract

一种T型楔形张开加载试样关键数据的计算装置，包括初始加载V₀值计算模块，用于根据裂纹长度a、试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1、试样材料的弹性模量E、初始K_I0以及柔度关系进行计算，包括：参数输入单元，用于在试样完成线切割后，测量裂纹长度a、试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1、试样材料的弹性模量E和初始K_I0，并将上述参数输入；依照GB/T 15970.6－1998中T型楔形试样的各种数值之间的关系计算得到初始加载V₀。本发明节约计算所需时间、效率高、大大提高计算的准确性。

Description

T型楔形张开加载试样关键数据的计算装置

技术领域

本发明涉及T型楔形张开加载试样关键数据的计算装置。

背景技术

金属材料在特定的介质环境中，承受拉应力，经过一定时间后发生裂纹及断裂的现象称为应力腐蚀断裂。由于它的不可预测的低应力脆断常常导致事故发生以及大量材料损耗，比如在石油化工企业的设备中占41.6％的腐蚀失效是应力腐蚀，因此它的危害很大，金属应力腐蚀开裂的问题一直是国内外有关人士十分关注和致力研究的课题。为了获得材料的一些应力腐蚀数据，人们开展了一系列的实验室研究，类似K_ISCC的定量数据的获得，其中一个常用的试验方法是采用GB/T 15970.6-1998(金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第6部分：预裂纹试样的制备和应用)中提到的T型楔形张开加载试样进行预裂纹试验。对于一批T型试样的试验，从试样加工到疲劳裂纹的预制大概需要两个月时间，一般情况下把T型试样放入腐蚀液中需要浸蚀至少一个月时间，这还没有包括试验前试样准备所需要的试验数据的计算以及试验结束计算K_ISCC所需要花费的精力和时间。对于试验前后这些关键数据的计算，此前没有报道采用什么优化或者集成运算的方法获取这些数据，所以只能通过原始的办法，一步一步通过手工计算获得。存在的缺点：需要花费很多的时间、效率低、计算准确性差。

发明内容

为了克服已有的T型楔形张开加载试样关键数据的计算方法的需要花费很多的时间、效率低、计算准确性差的不足，本发明提供一种节约计算所需时间、效率高、大大提高计算的准确性的T型楔形张开加载试样关键数据的计算装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种T型楔形张开加载试样关键数据的计算装置，所述的计算装置包括：

初始加载V₀值计算模块，用于根据裂纹长度a、试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1、试样材料的弹性模量E、初始K_I0以及柔度关系进行计算，包括有：

参数输入单元，用于在试样完成线切割以及疲劳裂纹预制后，测量裂纹长度a、试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1、试样材料的弹性模量E和初始K_I0，并将上述参数输入；

形状系数Y计算单元，用于依照裂纹长度a和加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W计算，具体算式为(2)：

$Y=30.96\left(\frac{a}{W}\right)-195.8{\left(\frac{a}{W}\right)}^2+730.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^3-1186.3{\left(\frac{a}{W}\right)}^4+754.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^5---\left(2\right)$

计算单元，根据

的值，从柔度关系中查取的值，根据B和E，具体算式为(4)：

$\frac{\mathrm{Vy}}{P}=\frac{f\left(\frac{a}{W}\right)}{\mathrm{EB}}---\left(4\right);$

螺栓载荷P计算单元，用于根据裂纹长度a、试样厚度B、初始K_I0和形状系数Y计算，具体算式为(5)：

$P=\frac{K_{I0}\×B\sqrt{a}}{Y}---\left(5\right);$

上式中，P为螺栓加载时所受的载荷值；

V₀计算单元，用于式(4)、(5)计算得到V_y，根据V₀和V_y的关系计算，具体算式为(6)：

$V_0=\left(\frac{a+C1}{a}\right)V_y---\left(6\right).$

作为优选的一种方案：所述的计算装置还包括：

试样K_ISCC计算模块，用于当试样从腐蚀液中取出后，依据最终裂纹长度为a、试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1、试样材料的弹性模量E、初始K_I0以及柔度关系进行计算，包括有：

形状系数Y计算单元，用于依照最终裂纹长度a和加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W计算，具体算式为(2)：

$Y=30.96\left(\frac{a}{W}\right)-195.8{\left(\frac{a}{W}\right)}^2+730.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^3-1186.3{\left(\frac{a}{W}\right)}^4+754.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^5---\left(2\right)$

计算单元，根据

的值，从柔度关系中查取

的值，根据B和E，具体算式为(4)：

$\frac{\mathrm{Vy}}{P}=\frac{f\left(\frac{a}{W}\right)}{\mathrm{EB}}---\left(4\right);$

V_y计算单元，用于根据V₀、最终裂纹宽度为a以及千分表中心线到试样加载中心的距离C1进行计算，具体算式为(3)

$V_y=\left(\frac{a}{a+C1}\right)V_0---\left(3\right);$

K_ISCC计算单元，用于根据(3)、(4)计算得到螺栓载荷P，并用已获得的Y值和P值、以及最终裂纹长度为a和试样厚度B进行计算，具体算式为(7)：

$K_{\mathrm{ISCC}}=\frac{\mathrm{YP}}{B\sqrt{a}}---\left(7\right).$

本发明的有益效果主要表现在：节约计算所需时间、效率高、大大提高计算的准确性。

附图说明

图1是T型楔形加载张开试样示意图。

图2是图1的侧视图。

图3是用千分表测量试样开口处的张开位移和V-V_y关系示意图。

图4是T型楔形张开加载试样在中心加载线上的柔度对应关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图4，一种T型楔形张开加载试样关键数据的计算装置，所述的计算装置包括：

初始加载V₀值计算模块，用于根据裂纹长度a、试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1、试样材料的弹性模量E、初始K_I0以及柔度关系进行计算，包括有：

参数输入单元，用于在试样完成线切割后，测量裂纹长度a、试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1、试样材料的弹性模量E和初始K_I0，并将上述参数输入；

形状系数Y计算单元，用于依照裂纹长度a和加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W计算，具体算式为(2)：

$Y=30.96\left(\frac{a}{W}\right)-195.8{\left(\frac{a}{W}\right)}^2+730.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^3-1186.3{\left(\frac{a}{W}\right)}^4+754.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^5---\left(2\right)$

Y值是由弹性柔度理论引出的一个值，叫做形状系数，参见GB/T15970.6-1998标准；

计算单元，根据

的值，从柔度关系中查取

的值，根据B和E，具体算式为(4)：

$\frac{\mathrm{Vy}}{P}=\frac{f\left(\frac{a}{W}\right)}{\mathrm{EB}}---\left(4\right);$

螺栓载荷P计算单元，用于根据裂纹长度a、试样厚度B、初始K_I0和中间值Y计算，具体算式为(5)：

$P=\frac{K_{I0}\×B\sqrt{a}}{Y}---\left(5\right);$

V₀计算单元，用于式(4)、(5)计算得到V_y，根据V₀和V_y的关系计算，具体算式为(6)：

$V_0=\left(\frac{a+C1}{a}\right)V_y---\left(6\right).$

作为优选的一种方案：所述的计算装置还包括：

试样K_ISCC计算模块，用于当试样从腐蚀液中取出后，依据最终裂纹宽度为a、试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1、试样材料的弹性模量E、初始K_I0以及柔度关系进行计算，包括有：

形状系数Y计算单元，用于依照最终裂纹长度a和加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W计算，具体算式为(2)：

$Y=30.96\left(\frac{a}{W}\right)-195.8{\left(\frac{a}{W}\right)}^2+730.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^3-1186.3{\left(\frac{a}{W}\right)}^4+754.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^5---\left(2\right)$

计算单元，根据

的值，从柔度关系中查取

的值，根据B和E，具体算式为(4)：

$\frac{\mathrm{Vy}}{P}=\frac{f\left(\frac{a}{W}\right)}{\mathrm{EB}}---\left(4\right);$

V_y计算单元，用于根据V₀、最终裂纹宽度为a以及千分表中心线到试样加载中心的距离C1进行计算，具体算式为(3)

$V_y=\left(\frac{a}{a+C1}\right)V_0---\left(3\right);$

K_ISCC计算单元，用于根据(3)、(4)计算得到螺栓载荷P，并由螺栓载荷P、最终裂纹宽度为a和试样厚度B进行计算，具体算式为(7)：

$K_{\mathrm{ISCC}}=\frac{\mathrm{YP}}{B\sqrt{a}}---\left(7\right).$

本实施例中，图1和图2只是一个螺栓已加载的T型试样的示意图，在图2中指示了试样厚度B的标注。

在图3中，1-千分表档块；2-千分表夹块；3-千分表；4-加载中心线；5-裂纹尖端；图3的螺栓没有画出来，以标注4的加载中心线代替，此图是螺栓加载时的状态，过程如下，首先在预制完裂纹的试样左端面上通过强力胶沾上千分表夹块和档块(用于固定千分表)，然后安装上千分表，调零，然后根据算得的V₀值加载螺栓，使试样左侧张开，当千分表的数值到达V₀值时停止加载。下一步就是去掉千分表和千分表夹块档块，将试样放入腐蚀液中浸蚀。此图还有一个作用是标识了计算过程中各个符号所代表的具体含义和位置。

在图4中。6-光滑经验值；7-5％面缺口的经验值；8-光滑-理论值；图4是T型楔形张开加载试样在中心加载线上的柔度对应关系，主要用来解决这个公式的计算： $\frac{\mathrm{Vy}}{P}=\frac{f\left(\frac{a}{W}\right)}{\mathrm{EB}}.$ 试样是光滑试样，所以根据横坐标a/W的值查6所指示的曲线的纵坐标的值即得到f(a/W)的值。

试样完成线切割以后，需要通过游标卡尺测量试样的实际尺寸，即试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离也叫试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1。选取材料的弹性模量E和合适的初始K_I0。下面需要做的就是确定千分表中心张开的位移V值，由V值来决定螺栓需要加载的量，然后进行浸蚀即可。

下面是GB/T 15970.6-1998中T型楔形试样的各种数值之间的关系，计算按照下面公式进行：

T型试样的应力强度解：

$K_I=\frac{\mathrm{YP}}{B\sqrt{a}}---\left(1\right)$

从柔度理论引出的公式，适用于 $0.3\≤\left(\frac{a}{W}\right)\≤0.8$ 的范围：

$Y=30.96\left(\frac{a}{W}\right)-195.8{\left(\frac{a}{W}\right)}^2+730.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^3-1186.3{\left(\frac{a}{W}\right)}^4+754.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^5---\left(2\right)$

V和V_y的关系：

$V_y=\left(\frac{a}{a+C1}\right)V---\left(3\right)$

本实施例基于VB语言的用于一体化计算T型楔形试样关键试验数据的计算器，该计算器集成了标准中所列的所有逻辑关系式，由一个简单的友好窗口面向用户，通过点击计算T型试样试验前的初始V₀和试验后的K_ISCC。

它的优点是基于VB语言软件，内部集成了标准中准确的逻辑关系式且合为一体，产生一个友好简单的面向用户的窗口，对号入座填入已知数据点击按钮即可获得试验需要的数据，与手工计算相比较，误差在万分之五以内(由小数点取舍造成，几乎可以忽略)，不仅节约了计算所需要的时间精力，而且大大的提高了计算的准确性。

实测某T型光滑试样尺寸如下(mm)：B＝26.02，W＝65.52，C1＝29.03，a＝21.751

选取的数值：材料弹性模量E＝2.05×10⁵， $K_{I0}=80\mathrm{MPa}\sqrt{m},$ 现在计算千分表所需张开的V₀值。

第一步： $\frac{a}{W}=\frac{21.751}{65.52}=0.332$

第二步：由公式(2)知

$Y=30.96\left(\frac{a}{W}\right)-195.8{\left(\frac{a}{W}\right)}^2+730.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^3-1186.3{\left(\frac{a}{W}\right)}^4+754.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^5$

$=30.96\×\left(0.332\right)-195.8{\left(0.332\right)}^2+730.6\×{\left(0.332\right)}^3-1186.3\×{\left(0.332\right)}^4+$

$754.6\×{\left(0.332\right)}^5$

$=4.06332$

第三步：根据

的值从图3的柔度关系中查取

的值，当 $\frac{a}{W}=0.332$ 时查光滑经验值得到 $f\left(\frac{a}{W}\right)=20$

从图3知， $\frac{\mathrm{EBVy}}{P}=f\left(\frac{a}{W}\right),$ 代入数值B＝26.02，E＝2.05×10⁵，得到

$\frac{\mathrm{Vy}}{P}=\frac{f\left(\frac{a}{W}\right)}{\mathrm{EB}}=\frac{20}{2.05\×{10}^5\×26.02\×{10}^{-3}}=3.74946\×{10}^{-3}$

第四步：根据公式(3)知 $V_y=\left(\frac{a}{a+C1}\right)V,$ 代入a＝21.751，C1＝29.03，得到

$V_y=\left(\frac{a}{a+C1}\right)V=\left(\frac{21.751}{21.751+29.03}\right)V=\left(\frac{21.751}{50.781}\right)V=0.42893V$

结合上一步的结果 $\frac{\mathrm{Vy}}{P}=3.74946\×{10}^{-3},$ 可得 $\frac{0.42893V}{P}=3.74946\×{10}^{-3},$ V＝3.74946×10^-3×P÷0.42893＝8.74143×10^-3P

第五步：由公式(1)知 $K_I=\frac{\mathrm{YP}}{B\sqrt{a}},$ 我们选取的初始 $K_{I0}=80\mathrm{MPa}\sqrt{m},$ 代入已获得的数据，

$P=\frac{K_{I0}\×B\sqrt{a}}{Y}=\frac{80\×26.04\×{10}^{-3}\×\sqrt{21.751\×{10}^{-3}}}{4.06332}=0.07561$

第六步：将第五步结果代入第四步中，

V₀＝8.74143×10^-3P＝8.74143×10^-3×0.07561＝0.661×10^-3m＝0.661mm这个V₀的值就是试验前我们需要加载的初始量，结果保留三位即可。

腐蚀试验结束：试样从腐蚀液中取出后，我们需要求得试样的K_ISCC，手工计算过程举例如下：

取上述试样，裂纹长度从初始a0(21.751mm)扩展到最终裂纹长度a(23mm)，张开位移保持不变，即V₀＝0.661mm，其他数据不变。

第一步： $\frac{a}{W}=\frac{23}{65.52}=0.351$

第二步：由公式(2)知

$Y=30.96\left(\frac{a}{W}\right)-195.8{\left(\frac{a}{W}\right)}^2+730.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^3-1186.3{\left(\frac{a}{W}\right)}^4+754.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^5$

$=30.96\×\left(0.351\right)-195.8\×{\left(0.351\right)}^2+730.6\×{\left(0.351\right)}^3-1186.3\×{\left(0.351\right)}^4+$

$754.6\×{\left(0.351\right)}^5$

$=4.35254$

第三步：根据

的值从图3的柔度关系中查取

的值，当 $\frac{a}{W}=0.351$ 时查光滑经验值得到 $f\left(\frac{a}{W}\right)=22$

从图3知， $\frac{\mathrm{EBVy}}{P}=f\left(\frac{a}{W}\right),$ 代入数值B＝26.02，E＝2.05×10⁵，得到

$\frac{\mathrm{Vy}}{P}=\frac{f\left(\frac{a}{W}\right)}{\mathrm{EB}}=\frac{22}{2.05\×{10}^5\×26.02\×{10}^{-3}}=4.12441\×{10}^{-3}$

第四步：根据公式(3)知 $V_y=\left(\frac{a}{a+C1}\right)V,$ 代入a＝23，C1＝29.03，V₀＝0.661mm得到

$V_y=\left(\frac{a}{a+C1}\right)V=\left(\frac{23}{23+29.03}\right)\×0.000661=0.00029219$

结合上一步的结果 $\frac{\mathrm{Vy}}{P}=4.12441\×{10}^{-3},$ 可得

$P=\frac{\mathrm{Vy}}{4.12441\×{10}^{-3}}0.070844$

第五步：由公式(1)知 $K_I=\frac{\mathrm{YP}}{B\sqrt{a}},$ 将Y＝4.35254，P＝0.070798，B＝0.02602，a＝0.023代入此式， $K_{\mathrm{ISCC}}=\frac{\mathrm{YP}}{B\sqrt{a}}=\frac{4.35254\×0.070844}{0.02602\×\sqrt{0.023}}=78.14\mathrm{MPa}\sqrt{m}$

首先运行VB程序，打开计算器工程界面，按照空格前的文字说明，依次输入已知数据。结合试验前的所述实例数据用计算器运行一次，首先点击工程界面中的“清除”按钮，把空格中的数据清零，然后在裂纹长度a所指示的空格中输入0.021751，在净宽度W所指示的空格中输入0.06552，点击图中1所示的“计算”键，得到应力强度系数Y的值“4.35254”；接着在裂纹长度a中输入0.021751，输入净宽度W的值0.06552，输入弹性模量E的值2.05(105系统已经自动加上，不需要再次输入)，输入应力强度系数Y的值“4.35254”，输入根据图3查得的f(a/w)值20，输入C1的值0.02903，在应力强度因子KI对应的空格中输入确定初始加载值80，所有数据输入完毕最后就是计算，计算只需要点击按钮“计算张开加载V”，即刻在空格中显示我们所需要的初始V0值，此处即为0.000661m，折合0.661mm。

计算试验后的KISCC值：首先点击清除按钮，清零所有空格，试验后裂纹长度扩展到23，相应的f(a/w)查图3得到22，按照界面提示依次输入已知数据，输入上述得到的初始V0的值0.000661，因为现在我们要获得KISCC的值，所以最后点击按钮“计算KI”，试验所需要的KISCC的值马上在空格中显示，为78.142。

Claims (2)

1.一种T型楔形张开加载试样关键数据的计算装置，其特征在于：所述的计算装置包括：

初始加载V₀值计算模块，用于根据裂纹长度a、试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1、试样材料的弹性模量E、初始K_I0以及柔度关系进行计算，包括有：

参数输入单元，用于在试样完成线切割后，测量裂纹长度a、试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1、试样材料的弹性模量E和初始K_I0，并将上述参数输入；

形状系数Y计算单元，用于依照裂纹长度a和加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W计算，具体算式为(2)：

$Y=30.96\left(\frac{a}{W}\right)-195.8{\left(\frac{a}{W}\right)}^2+730.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^3-1186.3{\left(\frac{a}{W}\right)}^4+754.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^5---\left(2\right)$

上式中，Y代表。。。

计算单元，根据

的值，从柔度关系中查取

的值，根据B和E，具体算式为(4)：

$\frac{\mathrm{Vy}}{P}=\frac{f\left(\frac{a}{W}\right)}{\mathrm{EB}}---\left(4\right);$

螺栓载荷P计算单元，用于根据裂纹长度a、试样厚度B、初始K_I0和中间值Y计算，具体算式为(5)：

$P=\frac{K_{I0}\×B\sqrt{a}}{Y}---\left(5\right);$

上式中，P为螺栓加载时所受的载荷值；

V₀计算单元，用于式(4)、(5)计算得到V_y，根据V₀和V_y的关系计算，具体算式为(6)：

$V_0=\left(\frac{a+C1}{a}\right)V_y---\left(6\right).$

2.如权利要求1所述的T型楔形张开加载试样关键数据的计算装置，其特征在于：所述的计算装置还包括：

试样K_ISCC计算模块，用于当试样从腐蚀液中取出后，依据最终裂纹宽度为a、试样厚度B、加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W、千分表中心线到试样加载中心的距离C1、试样材料的弹性模量E、初始K_I0以及形状系数Y进行计算，包括有：

形状系数Y计算单元，用于依照最终裂纹长度a和加载中心线处到试样末端的距离即试样宽度W计算，具体算式为(2)：

$Y=30.96\left(\frac{a}{W}\right)-195.8{\left(\frac{a}{W}\right)}^2+730.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^3-1186.3{\left(\frac{a}{W}\right)}^4+754.6{\left(\frac{a}{W}\right)}^5---\left(2\right)$

计算单元，根据

的值，从柔度关系中查取

的值，根据B和E，具体算式为(4)：

$\frac{\mathrm{Vy}}{P}=\frac{f\left(\frac{a}{W}\right)}{\mathrm{EB}}---\left(4\right);$

V_y计算单元，用于根据V₀、最终裂纹宽度为a以及千分表中心线到试样加载中心的距离C1进行计算，具体算式为(3)

$V_y=\left(\frac{a}{a+C1}\right)V_0---\left(3\right);$

K_ISCC计算单元，用于根据(3)、(4)计算得到螺栓载荷P，并由螺栓载荷P、最终裂纹宽度为a和试样厚度B进行计算，具体算式为(7)：

$K_{\mathrm{ISCC}}=\frac{\mathrm{YP}}{B\sqrt{a}}---\left(7\right).$

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