CN105115821A - 一种基于有限元的材料断裂韧性确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于有限元的材料断裂韧性确定方法，先进行GTN模型的九个参数的标定，通过实验和数值计算相结合进行标定，然后对不同拘束试样断裂韧性的确定：用ABAQUS软件对不同拘束条件下需要测量材料断裂韧性的试样建立有限元力学模型，模拟裂纹的起裂和扩展过程后，计算得到试样的载荷-位移曲线及不同加载步时的裂纹扩展量Δa，并根据ASTM？E1820标准计算得到裂纹扩展J-R阻力曲线，通过0.2mm钝化线的方法确定材料的断裂韧性。可通过有限元数值模拟获得不同拘束条件下材料的断裂韧性，实现断裂韧性的测定及结构完整性评定。

Description

一种基于有限元的材料断裂韧性确定方法

技术领域

本发明涉及一种断裂力学，特别涉及一种基于有限元的材料断裂韧性确定方法。

背景技术

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，这种影响通常被称为“拘束效应”。拘束的增加导致材料断裂韧性的降低。当用高拘束标准试样的断裂韧性测定值评定低拘束缺陷结构的完整性时会产生过于保守的评定结果，从而导致不必要的维修或报废，产生较大的经济损失；另一方面当用其评定更高拘束的结构裂纹时，可能得到非保守(不安全)的结果。因此，为了进行准确的缺陷安全性评定和寿命预测，需要在结构完整性评定中纳入裂尖的拘束效应。其基础性的工作是：测定不同拘束条件下材料的断裂韧性。

而目前基于标准：ASTME1820通过断裂韧性试验测量不同拘束试样的断裂韧性，不仅成本高、计算过程复杂，并且由于试验中对试样的尺寸有特殊的要求，无法测量任意拘束条件下材料的断裂韧性。

发明内容

本发明是针对材料断裂韧性检测存在的问题，提出了一种基于有限元的材料断裂韧性确定方法，可通过有限元数值模拟获得不同拘束条件下材料的断裂韧性，为断裂韧性的测定及结构完整性评定提供方便。

本发明的技术方案为：一种基于有限元的材料断裂韧性确定方法，包括GTN模型参数的标定和不同拘束试样断裂韧性的确定两个步骤，

GTN模型参数的标定步骤如下：

通过实验和数值计算相结合的方法标定：塑性本构参数q₁、q₂、q₃；初始孔洞体积分数f₀；孔洞形核参数：平均形核应变ε_Ν、形核标准偏差S_N、形核孔洞体积分数f_N；孔洞聚合时的临界体积分数f_C，断裂时的临界孔洞体积分数f_F九个参数：

首先，根据ASTME1820标准，选择一定尺寸的试样作为标准试样；然后，通过实验的方法测定材料的真应力-真应变曲线，及标准试样的裂纹扩展阻力曲线，即J-R阻力曲线；接下来，对标准试样建立有限元模型，用嵌含有GTN损伤模型的ABAQUS软件模拟计算试样的J-R阻力曲线；调整GTN模型参数f₀,f_N,f_c和f_F计算J-R阻力曲线，使计算的J-R阻力曲线与实验测得的J-R阻力曲线一致，则对应的GTN模型参数即为标定的该材料的GTN模型参数；

不同拘束试样断裂韧性的确定：

用ABAQUS软件对不同拘束条件下需要测量材料断裂韧性的试样建立有限元力学模型，将实验测量的材料真应力-真应变曲线和上述标定的材料GTN模型参数输入模型，模拟裂纹的起裂和扩展过程，模拟完成后，计算得到试样的载荷-位移曲线及不同加载步时的裂纹扩展量Δa，并根据ASTME1820标准计算得到裂纹扩展J-R阻力曲线，通过0.2mm钝化线的方法确定材料的断裂韧性，0.2mm钝化线与J-R阻力曲线的交点所对应的纵坐标即为材料的断裂韧性。

本发明的有益效果在于：本发明基于有限元的材料断裂韧性确定方法，可通过有限元数值模拟获得不同拘束条件下材料的断裂韧性，为断裂韧性的测定及结构完整性评定提供方便。

附图说明

图1为本发明举例中三点弯曲试样的尺寸及加载示意图；

图2为本发明举例中实验测量的A508钢的室温下的真应力-真应变曲线图；

图3为本发明举例中基于有限元计算得到的标准试样的J-R阻力曲线与实验测得的J-R阻力曲线之间的对比图；

图4为本发明举例中基于有限元计算得到的不同拘束试样的J-R阻力曲线及断裂韧性的确定图。

具体实施方式

1、GTN模型参数的标定

GTN模型包含九个参数:塑性本构参数q₁、q₂、q₃；初始孔洞体积分数f₀；孔洞形核参数：平均形核应变ε_Ν、形核标准偏差S_N、形核孔洞体积分数f_N；孔洞聚合时的临界体积分数f_C，断裂时的临界孔洞体积分数f_F。为了使用嵌含有GTN损伤模型的ABAQUS软件计算不同拘束条件下材料的断裂韧性，首先需要通过实验和数值模拟相结合的方法标定材料的GTN模型参数。为了简化复杂的标定程序，对于含有夹杂物和碳化物的金属材料而言，大多数文献建议本构参数q₁、q₂、q₃一般取值为:q₁＝1.5,q₂＝1,q₃＝q₁ ²＝2.25，对于低合金钢而言，在大多数研究中，孔洞形核参数一般取ε_n＝0.3，S_N＝0.1。参数f₀、f_N、f_c和f_F一般通过通过实验和数值计算相结合的方法标定。必要时9个参数都可通过下面的方法标定，标定方法为：

(1)对于一定材料,根据ASTME1820标准，选择一定尺寸的试样作为标准试样。

(2)通过实验的方法测定材料的真应力-真应变曲线，及标准试样的裂纹扩展阻力曲线，即J-R阻力曲线。

(3)对标准试样建立有限元模型，用嵌含有GTN损伤模型的ABAQUS软件模拟计算试样的J-R阻力曲线。

(4)调整GTN模型参数f₀,f_N,f_c和f_F计算J-R阻力曲线，使计算的J-R阻力曲线与实验测得的J-R阻力曲线一致，则对应的GTN模型参数即为标定的该材料的GTN模型参数。

需要指出的是，GTN模型中其他五个参数：q₁、q₂、q₃、ε_Ν和S_N均可通过相同的方法标定，对于某些特定的材料如低合金钢可以简化，标定结果以计算的J-R阻力曲线与实验测得的J-R阻力曲线一致为准。

2、不同拘束试样断裂韧性的确定

用ABAQUS软件对不同拘束条件下需要测量材料断裂韧性的试样建立有限元力学模型，将实验测量的材料真应力-真应变曲线和上述方法标定的材料GTN模型参数输入模型，模拟裂纹的起裂和扩展过程。模拟完成后，计算得到试样的载荷-位移曲线及不同加载步时的裂纹扩展量Δa，并根据ASTME1820标准计算得到裂纹扩展J-R阻力曲线。通过0.2mm钝化线的方法确定材料的断裂韧性(0.2mm钝化线与J-R阻力曲线的交点所对应的纵坐标即为材料的断裂韧性)。

举例：

(1)选用核电压力容器材料A508钢，根据ASTME1820标准,选用厚度B＝16mm、高度W＝2B＝32mm，裂纹相对深度a/W＝0.5(a为裂纹深度)的三点弯曲试样作为标准试样,试样尺寸及加载示意图如图1所示。

(2)通过实验测定的A508钢的真应力-真应变曲线如图2所示,该材料的弹性模量E为202410MPa，泊松比ν为0.3。按ASTME1820标准，用标准试样实验测定的A508钢的室温下的裂纹扩展阻力曲线，即J-R阻力曲线如图3所示。

(3)对标准试样建立有限元模型，用嵌含有GTN损伤模型的ABAQUS软件模拟计算其裂纹扩展阻力曲线，即J-R阻力曲线。

(4)调整GTN模型参数,计算J-R阻力曲线，使计算的J-R阻力曲线与实验测得的J-R阻力曲线一致，如图3所示。则对应的GTN模型参数，即为标定的A508钢的GTN模型参数,如表1所示A508钢的GTN模型参数。

表1

通过改变裂纹深度a/W(a/W＝0.3和0.7)来改变拘束；对这两个不同拘束的试样建立有限元力学模型，将实验测量的材料真应力-真应变曲线、弹性模量E和泊松比ν，及用标定完成的材料GTN模型参数输入模型，模拟裂纹的起裂和扩展过程。模拟完成后，可以得到试样的载荷-位移曲线及不同加载步时的裂纹扩展量Δa，并根据ASTME1820标准计算得到裂纹扩展J-R阻力曲线，通过0.2mm钝化线的方法确定材料的断裂韧性，如图4所示。为验证结果的正确性，将实验测得的a/W＝0.3和0.7时材料的J-R阻力曲线一并作入图4中。观察可知：有限元模拟得到的J-R阻力曲线及断裂韧性与实验得到的J-R阻力曲线及断裂韧性吻合良好。

Claims (1)

1.一种基于有限元的材料断裂韧性确定方法，其特征在于，包括GTN模型参数的标定和不同拘束试样断裂韧性的确定两个步骤，

GTN模型参数的标定步骤如下：

通过实验和数值计算相结合的方法标定：塑性本构参数q₁、q₂、q₃；初始孔洞体积分数f₀；孔洞形核参数：平均形核应变ε_Ν、形核标准偏差S_N、形核孔洞体积分数f_N；孔洞聚合时的临界体积分数f_C，断裂时的临界孔洞体积分数f_F九个参数：

首先，根据ASTME1820标准，选择一定尺寸的试样作为标准试样；然后，通过实验的方法测定材料的真应力-真应变曲线，及标准试样的裂纹扩展阻力曲线，即J-R阻力曲线；接下来，对标准试样建立有限元模型，用嵌含有GTN损伤模型的ABAQUS软件模拟计算试样的J-R阻力曲线；调整GTN模型参数f₀,f_N,f_c和f_F计算J-R阻力曲线，使计算的J-R阻力曲线与实验测得的J-R阻力曲线一致，则对应的GTN模型参数即为标定的该材料的GTN模型参数；

不同拘束试样断裂韧性的确定：

用ABAQUS软件对不同拘束条件下需要测量材料断裂韧性的试样建立有限元力学模型，将实验测量的材料真应力-真应变曲线和上述标定的材料GTN模型参数输入模型，模拟裂纹的起裂和扩展过程，模拟完成后，计算得到试样的载荷-位移曲线及不同加载步时的裂纹扩展量Δa，并根据ASTME1820标准计算得到裂纹扩展J-R阻力曲线，通过0.2mm钝化线的方法确定材料的断裂韧性，0.2mm钝化线与J-R阻力曲线的交点所对应的纵坐标即为材料的断裂韧性。