CN106960073A - 实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法 - Google Patents

实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法，待匹配结构和匹配试样各自根据自身特点建立有限元模型，并对裂纹尖端J‑积分与应变场进行数值计算；两者选择相同的等效塑形应变值PEEQ，并计算不同J积分下PEEQ等值线所围绕区域的面积Apeeq，得到各自的J‑Apeeq曲线；将所得两条J‑Apeeq曲线画在同一个坐标轴下进行对比；如两条曲线重合，则说明二者的拘束度相匹配；如不重合，重新选择匹配试样，再进行匹配，直至二者重合为止。可以将实际结构的拘束度与实验室试样相匹配，实现实验室试样向实际结构的移植，为准确的结构完整性评定提供技术基础。还可实现不同试样间、实际结构与实验室试样间以及不同试样与结构间拘束度的匹配。

Description

实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法
技术领域
本发明涉及一种结构完整性评定技术，特别涉及一种实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法。
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”，拘束的增加会导致材料断裂韧性的降低。而准确的结构完整性评定是建立在准确的断裂韧性测量基础之上的，所以为了进行准确的结构完整性评定，需要对试样/结构的拘束度进行考察与度量。
在目前的结构完整性评定方法中，一般用实验室高拘束的标准试样测得的材料断裂韧性下限值对实际结构的安全性进行评定。然而，这样做会带来很多弊端：当用其评定实际结构中低拘束的裂纹时，将产生过于保守的结果，造成很大的浪费；反之，当用其评定实际结构中个别拘束很高的裂纹时，又可能产生非保守（不安全）的结果。因此，只有选择与实际结构拘束度相匹配的实验室试样测得的断裂韧性值对结构进行评定才能得到准确的评定结果。换言之，实验室试样与实际结构裂尖拘束度的匹配是保证结构完整性评定准确性的关键。
发明内容
本发明是针对如何将实验室试样与实际结构的拘束度相匹配的问题，提出了一种实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法，其方法简单，便于工程应用，可以实现实际结构与实验室试样拘束度匹配，并可进一步用于不同试样间、实际结构与实验室试样间以及不同试样与结构间拘束度的匹配。
本发明的技术方案为：一种实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法，具体包括如下步骤：
1）待匹配结构根据自身特点建立有限元模型，并对裂纹尖端J-积分与应变场进行数值计算；
2）选择等效塑形应变值PEEQ，选择的PEEQ的大小仅反映裂尖区域的应变场而不受其他区域的应变场干扰，并计算不同J积分下PEEQ等值线所围绕区域的面积Apeeq，得到J-Apeeq曲线；
3）选取匹配试样，建立有限元模型，并对裂纹尖端J-积分与应变场进行数值计算，为了尽快匹配，依靠经验进行选择匹配试样的类型与尺寸；
4）选择与步骤2）中待匹配结构相同的等效塑形应变值，并对匹配试样有限元模型计算不同J积分下PEEQ等值线所围绕区域的面积Apeeq，得到J-Apeeq曲线；
5）将步骤2）和步骤4）所得两条J-Apeeq曲线画在同一个坐标轴下进行对比；
6）如两条曲线重合，则说明二者的拘束度相匹配；如不重合，重新选择匹配试样，重复步骤3）～5），直至二者重合为止。
所述待匹配结构为实际结构，考虑实际工况与实际裂纹尺寸，针对实际结构建立有限元模型。
所述步骤3）中匹配试样为实验室试样，选取裂纹长度和厚度，建立有限元模型。
所述待匹配结构和匹配试样均为实验室试样，选取裂纹长度和厚度，建立有限元模型。
所述实验室试样包括三点弯曲试样、紧凑拉伸试样、单边裂纹拉伸试样、中心裂纹拉伸试样。
本发明的有益效果在于：本发明实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法，可以将实际结构的拘束度与实验室试样相匹配，实现实验室试样向实际结构的移植，为准确的结构完整性评定提供技术基础。不仅如此，还可实现不同试样间、实际结构与实验室试样间以及不同试样与结构间拘束度的匹配。
附图说明
图1为本发明实际结构管道几何形状示意图；
图2为本发明实际结构管道的有限元模型图；
图3为本发明实际结构管道的裂尖局部网格图；
图4为本发明实际结构管道的J-Apeeq曲线图；
图5为本发明实验室试样的有限元模型图；
图6为本发明实验室试样的裂尖局部网格图；
图7为本发明实验室试样的J-Apeeq曲线图；
图8为本发明实际结构管道与实验室试样间J-Apeeq曲线的比较图；
图9为本发明实际结构管道与实验室试样间J-Apeeq曲线的比较图；
图10为本发明需匹配试样的J-Apeeq曲线图；
图11为本发明匹配试样的J-Apeeq曲线图；
图12为本发明两试样间J-Apeeq曲线的比较图。
具体实施方式
1、实际结构有限元模型的建立
考虑实际工况与实际裂纹尺寸，针对实际结构建立有限元模型，并对裂纹尖端J-积分与应变场进行数值计算（这里采用ABAQUS/Standard软件进行计算，但不限于本软件）。
2、实际结构J-Apeeq曲线的计算
选择合适的等效塑形应变值（PEEQ，PEEQ的大小以仅反映裂尖区域的应变场而不受其他区域的应变场干扰为宜。在该条件下，PEEQ的值可任意选择），并计算不同J积分下PEEQ等值线所围绕区域的面积Apeeq，得到J-Apeeq曲线。
3、实验室试样有限元模型的建立
选取适当的实验室试样，建立有限元模型，并对裂纹尖端J-积分与应变场进行数值计算。为了尽快匹配到合适的实验室试样，可依靠经验进行选择试样的类型和尺寸。
4、实验室试样J-Apeeq曲线的计算
选择与实际结构中相同的等效塑形应变值，并计算不同J积分下PEEQ等值线所围绕区域的面积Apeeq，得到J-Apeeq曲线。
5、实际结构与实验室试样J-Apeeq曲线的比较
将两条曲线画在同一个坐标轴下，如两条曲线重合，则说明二者的拘束度相匹配；如不重合，重新选择实验室试样，则需要重复步骤3～5，直至二者重合为止。
本发明的方式举例1：实际结构与实验室试样间拘束度的匹配：
假设在核电一回路主管道中发现了一条裂纹，为了对其进行结构完整性评定，需要找到与其拘束度相匹配的实验室试样。其中管道材料为A508，管道外半径R 0为472.25mm，内半径R i为389.25mm，管道厚度t为83.5mm，裂纹深度a=41.75mm，裂纹长度2c=104.375mm，如图1所示，管道所受内压为核电一回路主管道工作压力17MPa，内压所产生的轴向力为35.786MPa。所受弯矩M施加在管道右侧端部，其大小为1.7×1010N.m。具体步骤如下：
1）实际结构有限元模型的建立
考虑实际工况与实际裂纹尺寸，并根据管道的对称性，选取二分之一结构建立有限元模型，如图2、3所示实际结构管道的有限元模型和裂尖局部网格图，并对裂纹尖端J-积分与应变场进行数值计算。
2）实际结构J-Apeeq曲线的计算
选择等效塑形应变值PEEQ=0.2，计算不同J积分下PEEQ等值线所围绕区域的面积Apeeq，得到J-Apeeq曲线，如图4所示。
3）实验室试样有限元模型的建立
选取实验室三点弯曲试样，初步试样厚度B=16mm、试样宽度W=32mm，裂纹长度a=16mm（a/W=0.5）的试样尺寸进行尝试，建立有限元模型，如图5、6所示实验室试样的有限元模型和裂尖局部网格图，并对裂纹尖端J-积分与应变场进行数值计算。
4）实验室试样J-Apeeq曲线的计算
选择等效塑形应变值PEEQ=0.2，计算不同J积分下PEEQ=0.2等值线所围绕区域的面积Apeeq，得到J-Apeeq曲线，如图7所示。
5）实际结构与实验室试样J-Apeeq曲线的比较
将两条曲线画在同一个坐标轴下，如图8所示。从图中可以发现二者并不重合，这说明所选择的实验室试样不合适。
从图中可以发现，相同J积分下，所选实验室试样的Apeeq较小，即拘束大，需要选择拘束更小的实验室试样。
6）重新选样，重复步骤3）-5）
重新选择试样厚度B=10mm、试样宽度W=32mm，裂纹长度a=16mm（a/W=0.5）的实验室三点弯曲试样，建立有限元模型、计算J-Apeeq曲线，并将其与实际结构的J-Apeeq曲线画在同一个坐标轴下，如图9所示。从图中可以发现两条曲线重合，即该管道裂纹的拘束度与试样厚度B=10mm、试样宽度W=32mm，裂纹长度a=16mm（a/W=0.5）的三点弯曲试样的拘束度匹配。
实现本发明的方式举例2：不同试样间拘束度的匹配：
本发明还可实现不同试样间拘束度的匹配，举例如下：假设有一个裂纹长度a=9.6mm,试样宽度W=32mm（a/W=0.3），厚度B=32mm的三点弯曲试样，通过该方法可以匹配出与之拘束度相同的不同裂纹长度、不同厚度的试样。
A:需匹配试样有限元模型的建立
建立a/W=0.3，厚度B=32mm的三点弯曲试样的有限元模型，并对裂纹尖端J-积分与应变场进行数值计算。有限元模型与图5类似。
B:需匹配试样J-Apeeq曲线的计算
选择等效塑形应变值PEEQ=0.2，计算不同J积分下PEEQ等值线所围绕区域的面积Apeeq，得到J-Apeeq曲线，如图10所示。
C:匹配试样有限元模型的建立
选取裂纹长度a=16mm, 试样宽度W=32mm（a/W=0.5），厚度B=8mm的三点弯曲试样进行尝试，建立有限元模型，并对裂纹尖端J-积分与应变场进行数值计算。有限元模型与图5类似.
D:匹配试样J-Apeeq曲线的计算
选择等效塑形应变值PEEQ=0.2，计算不同J积分下PEEQ等值线所围绕区域的面积Apeeq，得到J-Apeeq曲线，如图11所示。
E:两试样之间J-Apeeq曲线的比较
将两条曲线画在同一个坐标轴下，如图12所示。从图中可以发现两条曲线重合，即a/W=0.3、B=32mm与a/W=0.5、B=8mm三点弯曲试样的拘束度相匹配。

Claims (5)

1.一种实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）待匹配结构根据自身特点建立有限元模型，并对裂纹尖端J-积分与应变场进行数值计算；
2）选择等效塑形应变值PEEQ，选择的PEEQ的大小仅反映裂尖区域的应变场而不受其他区域的应变场干扰，并计算不同J积分下PEEQ等值线所围绕区域的面积Apeeq，得到J-Apeeq曲线；
3）选取匹配试样，建立有限元模型，并对裂纹尖端J-积分与应变场进行数值计算，为了尽快匹配，依靠经验进行选择匹配试样的类型与尺寸；
4）选择与步骤2）中待匹配结构相同的等效塑形应变值，并对匹配试样有限元模型计算不同J积分下PEEQ等值线所围绕区域的面积Apeeq，得到J-Apeeq曲线；
5）将步骤2）和步骤4）所得两条J-Apeeq曲线画在同一个坐标轴下进行对比；
6）如两条曲线重合，则说明二者的拘束度相匹配；如不重合，重新选择匹配试样，重复步骤3）～5），直至二者重合为止。
2.根据权利要求1所述实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法，其特征在于，所述待匹配结构为实际结构，考虑实际工况与实际裂纹尺寸，针对实际结构建立有限元模型。
3.根据权利要求2所述实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法，其特征在于，所述步骤3）中匹配试样为实验室试样，选取裂纹长度和厚度，建立有限元模型。
4.根据权利要求1所述实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法，其特征在于，所述待匹配结构和匹配试样均为实验室试样，选取裂纹长度和厚度，建立有限元模型。
5.根据权利要求3或4所述实际结构与实验室试样间拘束度的匹配方法，其特征在于，所述实验室试样包括三点弯曲试样、紧凑拉伸试样、单边裂纹拉伸试样、中心裂纹拉伸试样。
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