CN105574282A - 3d裂纹起裂位置的预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种3D裂纹起裂位置的预测方法。因为在预测裂纹的起裂位置时已纳入拘束效应(即考虑了裂纹的尺寸与实际工况的影响)，所以，本发明所涉及的3D裂纹起裂位置的预测方法可以准确的评定3D裂纹起裂位置。本发明提供的方法简单、成本低，便于工程实践中应用，可在实际测量中准确的预测3D裂纹起裂位置，为下一步结构完整性评定准确地提供依据。

Description

3D裂纹起裂位置的预测方法
技术领域
本发明涉及一种评定结构完整性的方法，具体涉及一种三维(3D)裂纹起裂位置的预测方法。
背景技术
在实际结构的制造和使用过程中，总会不可避免的产生3D裂纹。3D裂纹一旦产生，将严重影响结构的使用寿命。为了避免事故的发生，在发现3D裂纹后，需要对裂纹进行结构完整性评定与跟踪监测，这就需要对3D裂纹的起裂位置(最危险位置)进行预测。3D裂纹的形状一般用半椭圆描述。
一般而言，3D裂纹的J积分最大处断裂驱动力最大，所以在工程实践中，一般选用J积分最大处作为最危险位置进行重点监测。然而，3D裂纹的起裂不仅和驱动力有关，还和3D裂纹的断裂阻力有关。大量实验和研究表明，裂纹的断裂阻力受试样/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阻力的降低。截至目前，仍未有一种简单的方法在预测3D裂纹的起裂位置时纳入拘束效应。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种纳入拘束效应的3D裂纹起裂位置的预测方法，该方法综合考虑裂纹驱动力与断裂阻力。
本发明提供了一种3D裂纹起裂位置的预测方法，具有这样的特征，包括如下步骤：
(1)通过ABAQUS等有限元软件针对含裂纹的结构建立有限元模型，对有限元模型的3D裂纹的不同位置处的J积分进行模拟计算，其中J积分为弹塑性断裂力学中一个与路径无关的积分；同时，针对J积分引入Jref参数，Jref为材料或结构的断裂韧性；
(2)对有限元模型的3D裂纹的不同位置处的进行计算，Ap＝APEEQ/Aref，
其中，Ap为描述拘束效应的拘束参数，APEEQ为等效塑性应变(PEEQ)等值线所围绕区域的面积，Aref为Jref下PEEQ等值线所围绕区域的面积；
(3)对有限元模型的3D裂纹前沿不同位置处的进行计算，计算得到的的最大值处为3D裂纹的起裂位置。
在本发明提供的3D裂纹起裂位置的预测方法中，还可以具有这样的特征：其中，同一材料的Jref、Aref均设置为常数1。
在本发明提供的3D裂纹起裂位置的预测方法中，还可以具有这样的特征：其中，将3D裂纹近似为半椭圆形，并根据裂纹结构对称性，选取二分之一或四分之一的3D裂纹结构建立有限元模型。
发明的作用和效果
本发明所涉及的3D裂纹起裂位置的预测方法，因为在预测裂纹的起裂位置时已纳入拘束效应(即考虑了裂纹的尺寸与实际工况的影响)，所以，本发明所涉及的3D裂纹起裂位置的预测方法可以准确的评定3D裂纹起裂位置。本发明提供的方法简单、成本低，便于工程实践中应用，可在实际测量中准确的预测3D裂纹起裂位置，为下一步结构完整性评定准确地提供依据。
附图说明
图1(a)是本发明的实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中板结构的拉伸图，图1(b)是本发明的实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中板结构的内部裂纹；
图2(a)是本发明的实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中建立的有限元模型，图2(b)是本发明的实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中有限元模型的裂纹面划分网格，图2(c)是本发明的实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中有限元模型图的裂尖部分c的局部网格放大图；
图3(a)是本发明的比较例3D裂纹起裂位置的预测方法中沿裂纹前沿的计算得到的J积分分布图，图3(b)是本发明的实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中沿裂纹前沿的计算得到的J积分分布图；
图4是本发明的实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中沿裂纹前沿测出的拘束参数的分布；以及
图5是本发明的实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中测得的纳入拘束效应后裂纹的起裂位置。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明3D裂纹起裂位置的预测方法作具体阐述。
图1(a)是本实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中板结构的拉伸图，图1(b)是本实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中板结构的内部裂纹。
如图1所示，本实施例以板结构进行模拟。3D裂纹的材料选用D6AC钢。a、c分别为半椭圆裂纹的短、长半轴，φ为过裂纹周线上任一点的径向线与长轴间的夹角；t为板结构的厚度，W为板结构的宽度；S为拉伸载荷。
图2(a)是本实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中建立的有限元模型，图2(b)是本实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中有限元模型的裂纹面划分网格，图2(c)是本实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中有限元模型图的裂尖部分c的局部网格放大图。
如图2所示，采用ABAQUS/Standard软件针对含3D裂纹的板结构进行建模，根据3D裂纹的对称性，将含裂纹的板结构均分成四份，选取其中一份板结构建立有限元模型，裂纹前端采用较细的网格划分。
图3(a)是比较例中3D裂纹起裂位置的预测方法中沿裂纹前沿的计算得到的J积分分布图，图3(b)是本实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中沿裂纹前沿的计算得到的J积分分布图。
图3(a)中，比较例中裂纹深度a/t＝0.65，形状比a/c＝0.61，拉伸载荷S＝1006.3MPa，现有方法不纳入拘束效应预测的裂纹起裂位置为2φ/π＝0.30，与实际测量的裂纹起裂位置2φ/π＝0.34相差0.04弧度即2.29度，相差较小。
可在本实施例(图3(b))中，裂纹深度a/t＝0.19，形状比a/c＝0.76，拉伸载荷S＝1300.8MPa，现有方法不纳入拘束效应预测的裂纹起裂位置为2φ/π＝1，与实际测量位置2φ/π＝0.68相差0.32弧度即18.33度，相差较大，如果在实际工程中很可能会埋下巨大的安全隐患。
图4是本实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中沿裂纹前沿测出的拘束参数的分布；图5是本实施例3D裂纹起裂位置的预测方法中测得的纳入拘束效应后裂纹的起裂位置。
如图4和图5所示，为减小预测值与实际测量的误差，本实施例采用以下步骤：
(1)通过ABAQUS软件针对含裂纹的结构建立有限元模型，对有限元模型的3D裂纹的不同位置处的J积分进行模拟计算，其中J积分为弹塑性断裂力学中一个与路径无关的积分；同时，针对J积分引入Jref参数，Jref为材料或结构的断裂韧性；
(2)对有限元模型的3D裂纹的不同位置处的进行计算，Ap＝APEEQ/Aref，
其中，Ap为描述拘束效应的拘束参数，APEEQ为等效塑性应变(PEEQ)等值线所围绕区域的面积，Aref为Jref下PEEQ等值线所围绕区域的面积；
(3)对有限元模型的3D裂纹前沿不同位置处的进行计算，计算得到的的最大值处为3D裂纹的起裂位置。
通过本实施例的方法计算预测的裂纹起裂位置为2φ/π＝0.6，与实际测量位置2φ/π＝0.68相差0.08弧度即4.58度，预测结果与实际测量结果相差较小，比之现有的方法大幅度的提高了精准度。本实施例中，引入Jref与Aref参数的目的是消除量纲。因为同一材料而言，Jref、Aref为一个定量。为简化计算，可将同一材料的Jref与Aref参数均作为常数1，且不影响预测结果。
实施例的作用与效果
本发明所涉及的3D裂纹起裂位置的预测方法，因为在预测裂纹的起裂位置时已纳入拘束效应(即考虑了裂纹的尺寸与实际工况的影响)，所以，本发明所涉及的3D裂纹起裂位置的预测方法可以准确的评定3D裂纹起裂位置。本发明提供的方法简单、成本低，便于工程实践中应用，可在实际测量中准确的预测3D裂纹起裂位置，为下一步结构完整性评定准确地提供依据。
以上实施例仅为本发明构思下的基本说明，不对本发明进行限制。而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种3D裂纹起裂位置的预测方法，用于预测结构中不规则3D裂纹的起裂位置，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过ABAQUS有限元软件针对含裂纹的结构建立有限元模型，对所述有限元模型的3D裂纹的不同位置处的J积分进行模拟计算，其中J积分为弹塑性断裂力学中一个与路径无关的积分；同时，针对J积分引入Jref参数，Jref为材料或所述结构的断裂韧性；
(2)对有限元模型的3D裂纹的不同位置处的进行计算，Ap＝APEEQ/Aref，
其中，Ap为描述拘束效应的拘束参数，APEEQ为等效塑性应变(PEEQ)等值线所围绕区域的面积，Aref为Jref下PEEQ等值线所围绕区域的面积；
(3)对有限元模型的3D裂纹前沿不同位置处的进行计算，计算得到的所述的最大值处为所述3D裂纹的起裂位置。
2.根据权利要求1所述的3D裂纹起裂位置的预测方法，其特征在于：
其中，同一材料的Jref、Aref均设置为常数1。
3.根据权利要求1所述的3D裂纹起裂位置的预测方法，其特征在于：
其中，将所述3D裂纹近似为半椭圆形，并根据裂纹的结构对称性，选取二分之一或四分之一的3D裂纹结构建立所述有限元模型。
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