CN108918253B - 测量落锤撕裂试验材料真实断裂能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种测量落锤撕裂试验材料真实断裂能的方法，利用落锤撕裂试验中的测得的冲击力‑位移曲线、裂纹尖端张开角‑裂纹扩展长度曲线和裂纹扩展长度‑时间曲线对本发明所需的牵引力‑分离准则中的K,α,σ0和δmax进行标定，进而基于标定的K,α,σ0和δmax利用有限元法对冲击载荷下的落锤撕裂试验进行模拟，基于模拟结果对落锤撕裂试验中总的能量耗散进行分析，并对稳态裂纹扩展阶段的断裂能在总能量耗散中所占比例进行计算，获得断裂能与整体能量耗散的比值，将上述比值与模拟得到的冲击力‑位移曲线积分结果相乘，得到材料真实的断裂能。本发明具有成本低、流程简单方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及测量技术在材料断裂试验下的应用，具体为一种用于测量落锤撕裂试验材料真实断裂能的方法。
背景技术
国内外许多科学和工程技术人员曾对材料的动态断裂韧性进行研究，发展了落锤撕裂试验方法和测试装置。尽管现有的这些方法和装置能够测得材料在发生动态断裂时裂纹的扩展速度、裂纹张开角以及试件整体的能量耗散，但事实上，针对驱动材料发生裂纹扩展的有效能量的测量(即材料在动态断裂时的真实断裂能)却无法测量，因为测定的试件整体能量耗散不可避免的包含了对裂纹扩展无直接贡献的各种材料塑性变形所吸收的能量，从而使得测定的结果显著高于材料的真实动态断裂能，带来极大的安全隐患。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种测量落锤撕裂试验材料真实断裂能的方法，该方法能够实现落锤撕裂试验中材料真实断裂能的测量。本发明采用的技术方案是：
一种测量落锤撕裂试验材料真实断裂能的方法，包括以下步骤：
步骤S1，对于落锤撕裂试验，根据内聚力模型中牵引力-分离规律的四个参数K，δ0，δmax和α的初始值，建立相关的有限元模型；
K为弹性刚度，δ0为损伤开始时的临界分离位移，δmax断裂分离位移,α为与材料韧性相关的参数，对于脆性材料取α<1，对于韧性材料取α>1；
步骤S2，基于步骤S1建立的有限元模型对落锤撕裂试验进行模拟，并提取冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线；
通过落锤撕裂试验测定冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线；
将基于有限元模型模拟得到的冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线分别与试验测定得到的冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线进行对比，根据误差不断调整K，δ0，δmax和α的值，直至模拟所得曲线与相应的试验所得曲线趋向吻合；
步骤S3，将基于试验校正过的K，δ0，δmax和α的值带入有限元模型中，对落锤撕裂试验中总的能量耗散进行分析；
步骤S4，对稳态裂纹扩展阶段的断裂能进行计算，获得稳态裂纹扩展阶段断裂能在整体能量耗散中所占比例R；
根据模拟得到的冲击力-位移曲线积分计算稳态裂纹扩展阶段整体能量耗散Wt；
将上述比例R与模拟得到的冲击力-位移曲线积分结果Wt相乘，得到材料真实的断裂能Wf。
具体地，步骤S1中，所述内聚力模型中牵引力-分离规律的公式表示为：
式中T为牵引力，D为损伤标量，K为弹性刚度，δ为分离位移，δ0为损伤开始时的临界分离位移，δmax断裂分离位移,α为与材料韧性相关的参数，Gadhesion/A为单位面积上的内聚能，对于脆性材料取α<1，对于韧性材料取α>1。
进一步地，步骤S4中，断裂能定义为内聚能加上裂纹尖端周围的塑性能。
本发明的优点在于：本发明提出的方法充分利用现有落锤撕裂试验中测得的相关数据对本发明所需的有限元模型中的关键参数进行标定，进而对稳态裂纹扩展阶段的断裂能(定义为内聚能加上裂纹尖端周围的塑性能)在整体能量耗散中所占比例进行计算，获得断裂能与整体能量耗散的比值，将上述比值与模拟得到的冲击力-位移曲线积分结果相乘，得到材料真实的断裂能。本发明解决了落锤撕裂试验中材料真实断裂能无法直接测定的技术难题，且适应推广使用。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
图2为本发明的内聚力模型参数说明示意图。
图3为本发明所用的有限元模型图。
图4a、图4b、图4c为本发明有限元模拟结果与试验结果比较示意图。
图5为本发明断裂能与整体能量耗散的示意图。
图6为本发明的稳态裂纹扩展阶段的断裂能与整体能量耗散的比例关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图，以X80高强钢的落锤撕裂试验为例对本发明作进一步的说明；
步骤S1，内聚力模型中牵引力-分离规律的公式如下表示：
式中T为牵引力，D为损伤标量，K为弹性刚度，δ为分离位移，δ0为损伤开始时的临界分离位移，δmax断裂分离位移,α为与材料韧性相关的参数，Gadhesion/A为单位面积上的内聚能，对于脆性材料取α<1，对于韧性材料取α>1；
公式(1)所描述的牵引力-分离规律如图2所示；对于X80高强钢在某一冲击载荷下的落锤撕裂试验，可以实现根据经验给定K，δ0，δmax和α的初始值，然后建立相关的有限元模型，如图3所示；图3中a为材料试件，本例中的X80高强钢，b为a中的局部放大，c为b中的局部放大，d为侧面厚度方向信息；材料试件a上方的半圆表示落锤，下方的两个小一些的半圆表示支撑；
步骤S2，基于步骤S1建立的有限元模型对落锤撕裂试验进行模拟，并提取冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线；
通过落锤撕裂试验测定冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线；
将基于有限元模型模拟得到的冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线分别与试验测定得到的冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线进行对比，根据误差不断调整K，δ0，δmax和α的值，直至模拟所得曲线与相应的试验所得曲线趋向吻合；如图4a、图4b、图4c所示；
步骤S3，将基于试验校正过的K，δ0，δmax和α的值带入有限元模型中，对落锤撕裂试验中总的能量耗散进行分析，如图5所示；图5中，A、B、C表示不同位置的能量耗散，其中B处为断裂能；
步骤S4，对稳态裂纹扩展阶段的断裂能(定义为内聚能加上裂纹尖端周围的塑性能)进行计算，获得稳态裂纹扩展阶段断裂能在整体能量耗散中所占比例R；如图6所示；
根据模拟得到的冲击力-位移曲线积分计算稳态裂纹扩展阶段整体能量耗散Wt；
将上述比例R与模拟得到的冲击力-位移曲线积分结果Wt相乘，得到材料真实的断裂能Wf。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种测量落锤撕裂试验材料真实断裂能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，对于落锤撕裂试验，根据内聚力模型中牵引力-分离规律的四个参数K，δ0，δmax和α的初始值，建立相关的有限元模型；
K为弹性刚度，δ0为损伤开始时的临界分离位移，δmax断裂分离位移,α为与材料韧性相关的参数，对于脆性材料取α<1，对于韧性材料取α>1；
步骤S2，基于步骤S1建立的有限元模型对落锤撕裂试验进行模拟，并提取冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线；
通过落锤撕裂试验测定冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线；
将基于有限元模型模拟得到的冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线分别与试验测定得到的冲击力-位移曲线、裂纹尖端张开角-裂纹扩展长度和裂纹扩展长度-时间曲线进行对比，根据误差不断调整K，δ0，δmax和α的值，直至模拟所得曲线与相应的试验所得曲线趋向吻合；
步骤S3，将基于试验校正过的K，δ0，δmax和α的值带入有限元模型中，对落锤撕裂试验中总的能量耗散进行分析；
步骤S4，对稳态裂纹扩展阶段的断裂能进行计算，获得稳态裂纹扩展阶段断裂能在整体能量耗散中所占比例R；
根据模拟得到的冲击力-位移曲线积分计算稳态裂纹扩展阶段整体能量耗散Wt；
将上述比例R与模拟得到的冲击力-位移曲线积分结果Wt相乘，得到材料真实的断裂能Wf；
步骤S1中，所述内聚力模型中牵引力-分离规律的公式表示为：
式中T为牵引力，D为损伤标量，K为弹性刚度，δ为分离位移，δ0为损伤开始时的临界分离位移，δmax断裂分离位移,α为与材料韧性相关的参数，Gadhesion/A为单位面积上的内聚能，对于脆性材料取α<1，对于韧性材料取α>1；
步骤S4中，断裂能定义为内聚能加上裂纹尖端周围的塑性能。
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