CN108225915B - 一种含裂纹类缺陷结构的动态断裂评定方法 - Google Patents
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Abstract
一种含裂纹类缺陷结构的动态断裂评定方法，测试结构材料在不同应变率下的真实应力σtrue‑应变εtrue关系曲线及准静态屈服强度σy、结构材料在不同加载速率下的动态断裂韧性KId及准静态断裂韧性KIC；拟合构建结构材料动态屈服强度σyd与应变率之间的关系式，等效应力σeq与等效应变εeq、等效应变率之间的本构关系式，动态断裂韧性KId与加载速率之间的关系式；获得含裂纹结构裂尖节点应力强度因子KI、等效应变εeq时程变化曲线，裂尖节点加载速率应变率时程变化曲线；计算不同时刻的断裂比Kr和载荷比Lr、构建动态失效评定图，计算得到的(Lr、Kr)作为评定点与失效评定曲线进行比较。通过引入动态载荷作用下裂尖位置处材料承受的应变率和加载速率影响，实现含裂纹类缺陷结构的动态断裂失效评定。
Description
技术领域
本发明涉及安全工程技术领域，具体涉及一种含裂纹类缺陷结构的动态断裂评定方法。
背景技术
裂纹是一种危害性极大的缺陷，由其导致的设备事故占有较大比例。然而，如果为了保证安全，一味地将含裂纹类缺陷的设备进行返修或报废，将会造成巨大的资源浪费。为此，需要对设备上存在的裂纹类缺陷进行分析评定，消除潜在危险的缺陷，保留安全没有威胁的缺陷，从而达到既保证安全，又减少经济损失的目的。
对于含裂纹类缺陷结构的断裂失效评定，目前国际上普遍采用失效评定图(FAD)的方法，参见英国R6、我国GB/T 19624等标准。该方法同时考虑了弹塑性断裂和塑性破坏两个失效准则，是兼顾安全可靠性和适用性的方法。然而，该方法也存在不足之处，如在进行断裂失效评定时只考虑了结构承受静态载荷的情况，未涉及动态载荷作用下裂尖位置处材料承受的应变率和加载速率影响，因而不能对含裂纹类缺陷结构在动态载荷作用下的断裂失效进行合理和准确地评定。
发明内容
本发明的目的为克服上述现有技术的不足，提供一种含裂纹类缺陷结构的动态断裂评定方法。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种含裂纹类缺陷结构的动态断裂评定方法，包括以下步骤：
S1、测试结构材料准静态屈服强度σy和准静态断裂韧性KIC；根据待评定结构承受的动态载荷，测试结构材料在不同应变率下的真实应力σtrue-应变εtrue关系曲线，测试结构材料在不同加载速率下的动态断裂韧性KId；
S2、拟合构建结构材料动态屈服强度σyd与应变率的函数关系表达式拟合构建结构材料等效应力σeq与等效应变εeq、等效应变率之间的本构关系表达式拟合构建结构材料动态断裂韧性KId与加载速率之间的函数关系表达式
S3、确定待评定结构的几何尺寸、边界条件、裂纹参数，根据步骤S2中获得的材料等效应力σeq与等效应变εeq、等效应变率之间的本构关系表达式，建立含裂纹结构的有限元模型，获得裂尖节点应力强度因子KI、等效应变εeq的时程变化曲线；
S4、对步骤S3中的裂尖节点应力强度因子KI和等效应变εeq分别进行时间求导得到裂尖节点加载速率和等效应变率的时程变化曲线；
S5、计算不同时刻的断裂比Kr＝KI/KIC和载荷比Lr＝σref/σy，其中σref为参考应力，取为结构特定点的等效应力σeq，所述结构特定点满足：若σref＝σyd时，结构将发生完全塑性失效；
根据步骤S2中结构材料动态屈服强度σyd与应变率之间的函数关系表达式和结构材料动态断裂韧性KId与裂尖节点加载速率之间的函数关系表达式，步骤S4中的裂尖节点加载速率和等效应变率的时程变化曲线，构建待评定结构材料的动态失效评定曲线，该失效评定曲线的方程形式为
式中，为失效评定曲线的截断点，图中载荷比Lr为横坐标，断裂比Kr为纵坐标；
S6、将步骤S5计算得到的不同时刻的参量(Lr、Kr)作为评定点，描绘到待评定结构材料失效评定曲线构成的失效评定图中且与所述的失效评定曲线进行比较。
优化的，所述步骤S1中的真实应力σtrue-应变εtrue关系曲线包括准静态曲线、多种不同应变率情况下的真实应力σtrue-应变εtrue关系曲线。
优化的，步骤S5中的待评定结构材料的动态失效评定曲线关系式为：
优化的，步骤S3中的边界条件包括载荷条件和位移约束条件，裂纹参数包括裂纹位置参数、形状参数、大小参数。
优化的，在步骤S2中，通过最小二乘法分别构建结构材料动态屈服强度σyd与应变率之间的函数关系表达式，等效应力σeq与等效应变εeq、等效应变率之间的本构关系表达式，结构材料动态断裂韧性KId与加载速率之间的函数关系表达式。
本发明的有益效果在于：
1.本发明在现有含裂纹缺陷结构静态断裂失效评定方法的基础上，通过引入动态载荷作用下裂尖位置处材料承受的应变率和加载速率影响，最终实现含裂纹类缺陷结构的动态断定失效评定。
2.本发明弥补了现有含裂纹类缺陷结构断裂失效评定技术未考虑动态载荷对结构响应、材料屈服强度和断裂韧性等影响的不足，具有物理意义明确、适用范围广的特点。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是含裂纹叶轮结构示意图；
图3是结构材料在不同应变率下的真实应力-应变关系曲线；
图4是结构材料动态屈服强度与应变率的关系曲线图；
图5是结构材料在不同加载速率下的动态断裂韧性；
图6是轮盘和轮盖裂尖节点应力强度因子KI的时程变化曲线；
图7是轮盘和轮盖裂尖节点等效应变εeq的时程变化曲线；
图8是轮盘和轮盖裂尖节点加载速率的时程变化曲线；
图9是轮盘和轮盖裂尖节点应变率的时程变化曲线；
图10是t＝30us时的动态失效评定图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。应理解，以下实施例仅用于说明的目的，但并不限定本发明的范围。具体实施例如下：
针对某钢制叶轮，内孔和外孔直径分别为150mm和400mm，叶轮有15个叶道，转速为10000r/min。叶轮轮盘2和轮盖3边缘存在径向裂纹1，裂纹1深度15mm。假设裂纹1边缘位置即碰摩位置4作用有逆旋转方向的动态碰摩载荷，载荷F与作用时间t的关系为F＝Fmaxcos(πt/T-π/2))，其中T＝1×10-4s，Fmax＝1×103N。为了评定该叶轮在特定动态碰摩载荷作用下是否会发生断裂失效，现采用本发明提供的方法进行安全评价。含裂纹1叶轮结构示意图见图2。
如图1所示，含裂纹类缺陷结构的动态断裂评定方法包括以下步骤:
S1、测试获得结构材料准静态屈服强度σy＝615.2MPa，准静态断裂韧性根据待评定结构承受的动态载荷，测试结构材料在不同应变率下的真实应力σtrue-应变εtrue关系曲线，如图3所示，包含准静态、应变率分别为3057s-1和4700s-1三种情况。获得结构材料在不同应变下的动态屈服强度σyd数据，如图4所示。根据待评定结构承受的动态载荷，测试结构材料在不同加载速率下的动态断裂韧性KId，如图5所示。
S2、由图3中不同应变率下的真实应力σtrue-应变εtrue关系曲线，通过最小二乘法拟合可得材料等效应力σeq与等效应变εeq、等效应变率之间的本构关系式：
由图4中不同应变率下的动态屈服强度σyd数据，通过最小二乘法拟合可得材料动态屈服强度σyd与应变率的函数关系表达式为：
由图5中不同加载速率下的动态断裂韧性KId，通过最小二乘法拟合可得材料动态断裂韧性KId与加载速率之间的函数关系式：
S3、确定待评定结构的几何尺寸、边界条件、裂纹参数，详细的说，边界条件包括载荷条件和位移约束条件，裂纹参数包括裂纹位置参数、形状参数、大小参数。根据步骤S2中获得的材料等效应力σeq与等效应变εeq、等效应变率之间的本构关系表达式，建立含裂纹结构的有限元模型，获得轮盘2和轮盖3裂尖节点应力强度因子KI、等效应变εeq的时程变化曲线，分别见图6和图7。
S4、对裂尖节点应力强度因子KI和等效应变εeq进行时间求导得到裂尖节点加载速率和等效应变率的时程变化曲线，分别见图8和图9。
S5、计算不同时刻的断裂比Kr＝KI/KIC和载荷比Lr＝σref/σy，其中σref为参考应力，取为结构特定点的等效应力σeq，该特定点满足：若σref＝σyd时，结构将发生完全塑性失效，σref在叶轮内孔边缘上一点取值。
根据步骤S2中的结构材料动态屈服强度σyd与应变率的函数关系表达式和动态断裂韧性KId与裂尖节点加载速率之间的函数关系表达式、步骤S4中的裂尖节点加载速率和等效应变率的时程变化曲线，建立待评定结构材料的动态失效评定曲线，失效评定曲线方程形式如下：
式中，为失效评定曲线的截断点(参考标准GB/T 19624-2004，取1.23)，图中载荷比Lr为横坐标，断裂比Kr为纵坐标。
S6、将不同时刻的(Lr、Kr)作为评定点描绘到相应时刻的失效评定曲线构成的失效评定图中(图10所示为评定过程中t＝30us时刻的动态失效评定图)。若整个过程的评定点(Lr、Kr)均落在失效评定曲线的下方，表明该待评定结构不会发生断裂失效；若有评定点(Lr、Kr)落在失效评定曲线的上方，则表明待评定结构存在发生断裂失效的危险。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种含裂纹类缺陷结构的动态断裂评定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、测试结构材料准静态屈服强度σy和准静态断裂韧性KIC；根据待评定结构承受的动态载荷，测试结构材料在不同应变率下的真实应力σtrue-应变εtrue关系曲线，测试结构材料在不同加载速率下的动态断裂韧性KId；
S2、拟合构建结构材料动态屈服强度σyd与应变率的函数关系表达式拟合构建结构材料等效应力σeq与等效应变εeq、等效应变率之间的本构关系表达式拟合构建结构材料动态断裂韧性KId与加载速率之间的函数关系表达式
S3、确定待评定结构的几何尺寸、边界条件、裂纹参数，根据步骤S2中获得的材料等效应力σeq与等效应变εeq、等效应变率之间的本构关系表达式，建立含裂纹结构的有限元模型，获得裂尖节点应力强度因子KI、等效应变εeq的时程变化曲线；
S4、对步骤S3中的裂尖节点应力强度因子KI和等效应变εeq分别进行时间求导得到裂尖节点加载速率和等效应变率的时程变化曲线；
S5、计算不同时刻的断裂比Kr＝KI/KIC和载荷比Lr＝σref/σy，其中σref为参考应力，取为结构特定点的等效应力σeq，所述结构特定点满足：若σref＝σyd时，结构将发生完全塑性失效；
根据步骤S2中结构材料动态屈服强度σyd与应变率之间的函数关系表达式和结构材料动态断裂韧性KId与裂尖节点加载速率之间的函数关系表达式，步骤S4中的裂尖节点加载速率和等效应变率的时程变化曲线，构建待评定结构材料的动态失效评定曲线，该失效评定曲线的方程形式为
式中，为失效评定曲线的截断点，图中载荷比Lr为横坐标，断裂比Kr为纵坐标；
S6、将步骤S5计算得到的不同时刻的参量(Lr、Kr)作为评定点，描绘到待评定结构材料失效评定曲线构成的失效评定图中且与所述的失效评定曲线进行比较。
2.根据权利要求1所述的一种含裂纹类缺陷结构的动态断裂评定方法，其特征在于：所述步骤S1中的真实应力σtrue-应变εtrue关系曲线包括准静态曲线、多种不同应变率情况下的真实应力σtrue-应变εtrue关系曲线。
3.根据权利要求1所述的一种含裂纹类缺陷结构的动态断裂评定方法，其特征在于：步骤S3中的边界条件包括载荷条件和位移约束条件，裂纹参数包括裂纹位置参数、形状参数、大小参数。
4.根据权利要求1所述的一种含裂纹类缺陷结构的动态断裂评定方法，其特征在于：在步骤S2中，通过最小二乘法分别构建结构材料动态屈服强度σyd与应变率之间的函数关系表达式，等效应力σeq与等效应变εeq、等效应变率之间的本构关系表达式，结构材料动态断裂韧性KId与加载速率之间的函数关系表达式。
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