CN107064288B - 一种i型裂纹的应力强度因子测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种I型裂纹的应力强度因子测定方法，该方法的步骤如下：步骤一、采用无损检测技术确定结构中I型裂纹的位置，然后测量I型裂纹的表面长度α_L；步骤二、沿I型裂纹的表面长度α_L，测量I型裂纹的埋藏深度α_D；步骤三、对结构中的I型裂纹进行受力分析，确定外加应力σ；步骤四、根据步骤一、步骤二中确定的I型裂纹的几何特征，通过查询相关材料手册获得I型裂纹的形状因子Y；步骤五、以I型裂纹的表面长度α_L、埋藏深度α_D、外加应力σ和形状因子Y作为输入，采用解析计算法/数值法求解I型裂纹的应力强度因子。该方法工序简单但精度很高，能够有效提高I型应力强度因子计算结果的精度和置信度。

Description

一种I型裂纹的应力强度因子测定方法

技术领域

本发明是一种I型裂纹的应力强度因子测定方法，属于测量测量领域。

背景技术

应力强度因子作为裂纹尖端应力场强度的度量，是进行结构的剩余强度安全评定、寿命估算、失效分析和材料断裂韧性测量的重要力学参量。I型裂纹是工程上最为常见也最为危险的裂纹形式，如何计算I型裂纹的应力强度因子K_I是断裂力学中的重要问题。

应力强度因子K_I与外加应力σ、裂纹尺寸α和形状因子Y有关，即：

K_I＝Yσ√α

其中裂纹尺寸α不仅是求解K_I的输入，同时也决定了形状因子Y的取值，是一个非常关键的参数。

相比实验室阶段，工程中获取裂纹尺寸α要更为复杂。工程结构中裂纹尺寸α包括表面裂纹长度α_L和裂纹深度α_D这两组维度的信息，其中裂纹深度α_D通常是肉眼不可见的，测量困难；并且裂纹深度α_D沿表面长度α_L方向的分布特征也不尽相同。要在不破坏工程结构完整性的前提下准确描述裂纹尺寸α的完整特征是一个亟待解决的技术难题，这也严重限制了K₁在工程中的应用。

无损检测技术能够在不损害被检测对象的结构与使用性能的前提下，利用材料内部结构异常或缺陷存在引起的热、声、光、电和磁等参量的变化，以物理或化学的方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对被检测对象内部及表面的结构、性质、状态及缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化进行检查和测试的方法。

无损检测技术的检测原理不同，对裂纹尺寸α不同维度信息的感知程度也不相同。因此通过优选并组合合适的无损检测技术测定工程结构中裂纹尺寸α，可以有效抑制非相关维度信息的干扰，能够更为准确地描述结构裂纹的真实特征；进而将测量结果作为应力强度因子K_I求解方法的输入，可以大幅度计算结果的精度与置信度。

发明内容

本发明针对已有技术的不足之处，提出了一种I型裂纹的应力强度因子测定方法，其目的是实时快速地掌握I型裂纹的应力强度因子分布特征，能够为工程结构检验维修方案的制定提供更加合理且更有针对性的指导，提高了工程结构服役的安全性和可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

该种I型裂纹的应力强度因子测定方法中，所述I型裂纹是指承受垂直于裂纹面的正应力作用，裂纹面的位移垂直于正应力方向的张开型裂纹，其特征在于：该方法的步骤为：

步骤一、采用无损检测技术确定结构中I型裂纹的位置，然后测量I型裂纹的表面长度α_L；

步骤二、沿I型裂纹的表面长度α_L，测量I型裂纹的埋藏深度α_D；

步骤三、对结构中的I型裂纹进行受力分析，确定外加应力σ；

步骤四、根据步骤一、步骤二中确定的I型裂纹的几何特征，通过查询相关材料手册获得I型裂纹的形状因子Y；

步骤五、以I型裂纹的表面长度α_L、埋藏深度α_D、外加应力σ和形状因子Y作为输入，采用解析计算法/数值法求解I型裂纹的应力强度因子。

所述无损检测技术包括超声检测、渗透检测、漏磁检测和涡流检测，其中，渗透检测与光学测量相结合的技术方法能够对开口裂纹进行定位和表面形貌测长，超声检测能够对近表面裂纹进行定位和测长，涡流检测能够用于导电材料的缺陷深度检测，漏磁检测可用于磁性材料的缺陷深度检测。

本发明为I型应力强度因子测定提供了一种新的思路与方法，对比已有的技术，有如下显著的技术优势：

1.该方法可以根据实际对象的材料属性、结构特征和裂纹类型等特征来优选和组合相应的无损检测技术，方法灵活并具有很强的通用性，能为应力强度因子计算理论的工程应用奠定良好的基础。

2.该方法能够充分利用不同无损检测的特点来获取结构裂纹尺寸α不同维度的信息，工序简单但精度很高，能够有效提高I型应力强度因子计算结果的精度和置信度。

附图说明

附图1是本发明中I型裂纹的应力强度因子测定方法的流程示意图

附图2是I型裂纹示意图

附图3是裂纹表面形貌形貌图

附图4是裂纹表面散射磁场强度的分布特征示意图

附图5是裂纹深度α_D与磁场强度A(z)对应关系示意图

附图6是裂纹沿心轴截面的分布特征示意图

附图7是裂纹尖端的应力强度因子计算结果

具体实施方式

下面将结合附图及实施例详细说明本发明内容。

某型零件上的转动心轴，材料为合金钢，材料牌号为38CrMoAlA，调质处理。该心轴工作时承受交变的工作弯矩，在应力集中部位产生了一处裂纹。该处裂纹为表面开口裂纹，具有一定的埋藏深度。

参见附较图2所示，该处裂纹承受垂直于裂纹面的拉应力作用，为I型裂纹。参见附图1所示，利用本发明计算该处裂纹的应力强度因子，步骤过程如下：

1.采用渗透探伤技术对裂纹进行着色显示，如附图3所示的红色痕迹为该处裂纹的表面形貌；

2.采用附图3中的标尺对红色痕迹进行测量，获得裂纹的表面长度α_L＝54mm；

3.采用电磁无损检测技术对裂纹深度α_D进行测量。首先采用磁敏传感器沿红色痕迹进行扫查，传感器提离值约为0.1mm，扫查距离为54mm，获取沿裂纹长度方向的表面散射磁场强度的法向分量A(z)，磁场强度单位为mT。获取表面散射磁场强度的分布特征如附图4所示；

4.采用当量法确定表面散射磁场强度的法向分量A(z)与裂纹深度的对应关系。具体操作步骤如下；

(1)选用心轴的基体材料38CrMoAl制作标准试样，试样表面经过淬火处理，在试样表面人工制备出6组深度分别为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm的非贯通缺陷；

(2)采用磁敏传感器依次扫查0.5mm～3mm这6组缺陷，传感器提离值约为0.1mm，获取6组缺陷的表面散射磁场强度的法向分量A(z)，磁场强度单位为mT；

(3)制作出6组缺陷深度和磁场强度法向分量A(z)的对应曲线，采用指数函数y＝θ^x作为回归方程，采用最小二乘法对6组离散数据进行拟合，拟合结果如附图5所示，获得对应关系式为：

式中，系数B的取值为1mT/mm

(4)将附图4中表面散射磁场强度A(z)的分布特征作为公式

的输入，获得裂纹的表面长度α_L所对应的埋藏深度α_D；

5.将心轴在有限元分析软件ANSYS中进行几何建模，设定材料属性以及边界条件后进行静力分析，求解裂纹处的应力σ＝356MPa。

6.对裂纹长度α_L和裂纹深度α_D进行几何化，建立裂纹沿心轴截面的分布特征，如附图6所示。根据裂纹长度α_L与裂纹深度α_D的比值，确定裂纹为表面半椭圆裂纹。查询相关手册选取形状因子Y，确定出裂纹前端的应力强度因子计算公式为：

式中，E_k是第二类椭圆积分；

7.将表面裂纹长度α_L、裂纹深度α_D、应力σ作为公式

的输入，求解裂纹前端的应力强度因子，计算结果如附图7所示，应力强度因子单位为

Claims (1)

1.一种I型裂纹的应力强度因子测定方法，所述I型裂纹是指承受垂直于裂纹面的正应力作用，裂纹面的位移垂直于正应力方向的张开型裂纹，其特征在于：该方法的步骤为：

步骤一、采用渗透探伤技术对裂纹进行着色显示该处裂纹的表面形貌；

步骤二、采用标尺对红色痕迹进行测量，获得裂纹的表面长度α_L；

步骤三、采用电磁无损检测技术对裂纹深度α_D进行测量，首先采用磁敏传感器沿痕迹进行扫查，传感器提离值约为0.1mm，获取沿裂纹长度方向的表面散射磁场强度的法向分量A(z)，磁场强度单位为mT，获取表面散射磁场强度的分布特征；

步骤四、采用当量法确定表面散射磁场强度的法向分量A(z)与裂纹深度的对应关系，具体操作步骤如下；

(1)选用的试样表面经过淬火处理，在试样表面人工制备出6组深度分别为0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm的非贯通缺陷；

(2)采用磁敏传感器依次扫查这6组缺陷，传感器提离值约为0.1mm，获取6组缺陷的表面散射磁场强度的法向分量A(z)，磁场强度单位为mT；

(3)制作出6组缺陷深度和磁场强度法向分量A(z)的对应曲线，采用指数函数y＝θ^x作为回归方程，采用最小二乘法对6组离散数据进行拟合：

(4)将磁场强度法向分量A(z)作为输入，获得裂纹的表面长度α_L所对应的埋藏深度α_D；

步骤五、将试样在有限元分析软件ANSYS中进行几何建模，设定材料属性以及边界条件后进行静力分析，求解裂纹处的应力σ；

步骤六、对裂纹长度α_L和裂纹深度α_D进行几何化，建立裂纹沿试样截面的分布特征，根据裂纹长度α_L与裂纹深度α_D的比值，确定裂纹后查询手册选取形状因子Y，确定出裂纹前端的应力强度因子计算公式；

将表面裂纹长度α_L、裂纹深度α_D、应力σ作为公式的输入，求解裂纹前端的应力强度因子，应力强度因子单位为

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