CN108918298B - 三维裂尖约束效应及三维裂尖等效应力场的表征方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料延性断裂韧性评估领域，具体而言，涉及一种三维裂尖约束效应及三维裂尖等效应力场的表征方法。对至少两个构件进行延性断裂韧性试验，获得荷载‑位移试验曲线。得到每一个构件的延性断裂韧性值以及塑性功。建立三维约束表征参量与延性断裂韧性值的线性关系。直接从断裂韧性试验中获得三维裂尖约束表征参量，良好地反映三维约束效应，无需复杂的有限元分析。三维约束表征参量能够表征三维裂尖等效应力场，借此关联不同约束条件下的延性断裂韧性。实际用于构件的断裂韧性评价时仅需任意两个不同构形或尺寸的试样即可获得考虑三维约束效应的断裂韧性规律，大大节省工作量，适用性更加突出。

Description

三维裂尖约束效应及三维裂尖等效应力场的表征方法
技术领域
本发明涉及材料延性断裂韧性评估领域，具体而言，涉及一种三维裂尖约束效应及三维裂尖等效应力场的表征方法。
背景技术
材料延性断裂韧性是用于结构安全评估的关键力学性能，通常用J积分或CTOD(裂尖张开位移)来表征，需要通过对经设计的含裂纹试样进行断裂试验测试得到。
然而，由于裂纹尖端的应力状态差异，不同构形和几何尺寸试样测得的断裂韧性存在显著差异，称为裂尖约束效应。
如何将不同构形或几何尺寸试样得到的断裂韧性进行统一一直是断裂力学研究的热点和难点。
随着断裂力学理论的发展，材料延性断裂韧性从单参量控制的J积分或CTOD理论不断向考虑裂尖约束效应的双参数以及三参数理论发展。
已有研究虽提出了多种裂尖约束效应表征方法，但能够真正描述三维裂尖约束效应的表征参量仍然缺乏。
现有技术中的表征方法常常需要借助精细的三维弹塑性有限元分析获得被测试样的裂尖应力场分布，然后借助较为复杂数据处理获得相关计算参数。
另有的现有技术中，一些表征参数未能真正反映三维约束效应。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种三维裂尖约束效应表征方法，无需复杂的有限元分析，能够良好地反映三维约束效应。
本发明的第二目的在于提供一种三维裂尖等效应力场的表征方法，能够良好地描述三维裂纹的等效应力场。
本发明的第三目的在于提供一种评估金属结构延性断裂韧性的方法，操作简单，大大节省工作量。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
一种三维裂尖约束效应表征方法，包括以下步骤：对至少两个不同构件进行延性断裂韧性试验，获得荷载-位移试验曲线；根据荷载-位移试验曲线得到每一个构件的延性断裂韧性值以及塑性功；根据塑性功计算构件的三维约束表征参量；将三维约束表征参量与延性断裂韧性值建立线性关系。
在本发明较佳的实施例中，根据延性断裂韧性值以及塑性功计算构件的三维约束表征参量时，是根据公式1进行计算，公式1为：
Figure GDA0002353554970000031
其中，Cp为三维约束表征参量；N为应变硬化指数；Up为塑性功；α为应变硬化系数；ε0为参考屈服应变；σ0为参考屈服应力；b为试样韧带长度；B为构件的厚度。
在本发明较佳的实施例中，进行延性断裂韧性试验是对至少两个不同形状的构件或者至少两个不同大小的构件进行。
在本发明较佳的实施例中，得到构件的延性断裂韧性值是对荷载-位移试验曲线进行处理后计算得到。
在本发明较佳的实施例中，塑性功是根据拟合后的荷载-位移试验曲线计算得到。
一种三维裂尖等效应力场的表征方法，包括以下步骤：对至少两个构件进行延性断裂韧性试验，获得荷载-位移试验曲线；根据荷载-位移试验曲线得到每一个构件的延性断裂韧性值以及塑性功；根据塑性功计算构件的三维约束表征参量；采用三维约束表征参量表征三维裂尖等效应力场。
在本发明较佳的实施例中，采用三维约束表征参量表征三维裂尖等效应力场时，采用公式2进行计算，公式2为：
Figure GDA0002353554970000041
其中，σeq为等效应力，b为试样韧带长度，W为试样宽度，r为裂纹面上的点到裂尖的距离，C为弯曲应力系数，可通过有限元标定得到，M为单位厚度下的弯矩，N为应变硬化指数，σ0为参考屈服应力。
在本发明较佳的实施例中，σ0、N是由拉伸应力-应变曲线根据公式3拟合得到，公式3为：
Figure GDA0002353554970000042
其中，α为应变硬化系数，ε0为参考屈服应变。
在本发明较佳的实施例中，三维约束表征参量是根据公式1计算得到，公式1为：
Figure GDA0002353554970000043
其中，Cp为三维约束表征参量；N为应变硬化指数；Up为塑性功；α为应变硬化系数；ε0为参考屈服应变；σ0为参考屈服应力；b为试样韧带长度；B为构件的厚度。
一种评估金属结构延性断裂韧性的方法，采用如上述的三维裂尖约束效应表征方法得到三维约束表征参量与延性断裂韧性值之间的线性关系；根据线性关系评估金属结构延性断裂韧性。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种三维裂尖约束效应表征方法，包括以下步骤：对至少两个构件进行延性断裂韧性试验，获得荷载-位移试验曲线。根据荷载-位移试验曲线得到每一个构件的延性断裂韧性值以及塑性功。根据塑性功计算构件的三维约束表征参量。将三维约束表征参量与延性断裂韧性值建立线性关系。通过从断裂韧性试验的载荷-位移曲线中确定约束参量，该表征方法能够直接从断裂韧性试验中获得三维裂尖约束表征参量。采用三维约束表征参量表征三维裂尖等效应力场。能够良好地反映三维约束效应，且无需复杂的有限元分析。相对于现有技术，极大地简化了计算步骤。
本发明提供的一种三维裂尖等效应力场的表征方法。包括以下步骤：对至少两个构件进行延性断裂韧性试验，获得荷载-位移试验曲线。根据荷载-位移试验曲线得到每一个构件的延性断裂韧性值以及塑性功。根据延性断裂韧性值以及塑性功计算构件的三维约束表征参量。采用三维约束表征参量表征三维裂尖等效应力场。该方法中得到的三维约束表征参量能够良好地描述三维裂纹的等效应力场。
本发明提供的一种评估金属结构延性断裂韧性的方法，采用如上述的三维裂尖约束效应表征方法得到三维约束表征参量与延性断裂韧性之间的线性关系。根据线性关系评估金属结构的延性断裂韧性。该方法中，三维约束表征参量与延性断裂韧性之间符合良好的线性关系，实际用于断裂韧性评价时仅需任意两个不同构形或尺寸的试样即可获得约束关系，大大节省工作量，适用性更加突出。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为三维试样厚度方向表面位置等效应力分布；
图2为三维试样厚度方向中间位置等效应力分布；
图3为A508-III钢J-Cp线性关系。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面对本发明实施例的三维裂尖约束效应、等效应力场的表征方法及评估金属结构延性断裂韧性的方法进行具体说明。
本发明实施例提供一种三维裂尖约束效应表征方法，包括以下步骤：
S1、对至少两个构件进行延性断裂韧性试验，获得荷载-位移试验曲线。
进一步地，进行延性断裂韧性试验是对至少两个不同形状的构件或者至少两个不同大小的构件进行。
进一步地，在本实施例中，选择2个形状或者大小不同的构件进行延性断裂韧性试验。
应理解，在本发明其他可选的实施例中，进行上述的延性断裂韧性试验时也可以选择其他数量的构件进行。
进一步地，进行上述的延性断裂韧性试验的具体步骤可以按照本领域常见的标准进行。
可选地，在本实施例中，进行上述的延性断裂韧性试验时可以按照标准GB/T21143或者标准ASTM E1820进行。
S2、根据荷载-位移试验曲线得到每一个构件的延性断裂韧性值以及塑性功。
进一步地，得到构件的延性断裂韧性值是对荷载-位移试验曲线进行处理后计算得到。
进一步地，塑性功是根据拟合后的荷载-位移试验曲线计算得到。
S3、根据塑性功计算构件的三维约束表征参量。
进一步地，根据塑性功计算构件的三维约束表征参量时，是根据公式1进行计算，公式1为：
Figure GDA0002353554970000091
其中，Cp为三维约束表征参量；N为应变硬化指数；Up为塑性功；α为应变硬化系数；ε0为参考屈服应变；σ0为参考屈服应力；b为试样韧带长度；B为构件的厚度。
S4、将三维约束表征参量与延性断裂韧性值建立线性关系。
在本实施例中，由两个试样的(Cp,J)数据即可建立线性的延性断裂韧性约束修正关系。
采用该表征方法能够直接从断裂韧性试验中获得三维裂尖约束表征参量，能够良好地反映三维约束效应，且无需复杂的有限元分析。相对于现有技术，极大地简化了计算步骤。
本发明的一些实施方式还提供一种三维裂尖等效应力场的表征方法，包括以下步骤：
对至少两个构件进行延性断裂韧性试验，获得荷载-位移试验曲线；根据荷载-位移试验曲线得到每一个构件的延性断裂韧性值以及塑性功；根据塑性功计算构件的三维约束表征参量；采用三维约束表征参量表征三维裂尖等效应力场。
进一步地，采用三维约束表征参量表征三维裂尖等效应力场时，采用公式2进行计算，公式2为：
Figure GDA0002353554970000101
其中，σeq为等效应力，b为试样韧带长度，W为试样宽度，r为裂纹面上的点到裂尖的距离，C为弯曲应力系数，可通过有限元标定得到，M为单位厚度下的弯矩，N为应变硬化指数，σ0为参考屈服应力。
进一步地，σ0、N是由拉伸应力-应变曲线根据公式3拟合得到，公式3为：
Figure GDA0002353554970000102
其中，α为应变硬化系数，ε0为参考屈服应变。
进一步地，三维约束表征参量是根据公式1计算得到，公式1为：
Figure GDA0002353554970000103
其中，Cp为三维约束表征参量；N为应变硬化指数；Up为塑性功；α为应变硬化系数；ε0为参考屈服应变；σ0为参考屈服应力；b为试样韧带长度；B为构件的厚度。
该方法中的Cp三维约束表征参量能够良好地描述三维裂纹的等效应力场。
本发明的一些实施方式还提供一种评估金属结构延性断裂韧性的方法，采用如上述的三维裂尖约束效应表征方法得到三维约束表征参量与延性断裂韧性之间的线性关系；根据线性关系评估金属结构零部件的断裂行为。该方法中，三维约束表征参量与延性断裂韧性之间符合良好的线性关系，实际用于断裂韧性评价时仅需任意两个不同构形或尺寸的试样即可获得约束关系，大大节省工作量，适用性更加突出。
具体地，请参照图1-图3。图1和图2分别给出了三维试样厚度方向表面位置和中间位置的等效应力分布情况。可见，通过本实施例提供的方法得到的等效应力分布与有限元结果完全符合，而经典的理论应力场结果出现较大差异。图3给出了以核电压力容器材料A508-III为例的不同构形和尺寸试样得到的断裂韧性J与约束参量Cp之间的线性关系。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

Claims (7)

1.一种三维裂尖约束效应表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
对至少两个不同构件进行延性断裂韧性试验，获得荷载-位移试验曲线；
根据所述荷载-位移试验曲线得到每一个所述构件的延性断裂韧性值以及塑性功；
根据所述塑性功计算所述构件的三维约束表征参量；
建立所述三维约束表征参量与所述延性断裂韧性值的线性关系；
根据所述塑性功计算所述构件的所述三维约束表征参量时，是根据公式1进行计算，所述公式1为：
Figure FDA0002353554960000011
其中，Cp为三维约束表征参量；N为应变硬化指数；Up为塑性功；α为应变硬化系数；ε0为参考屈服应变；σ0为参考屈服应力；b为试样韧带长度；B为构件的厚度。
2.如权利要求1所述的三维裂尖约束效应表征方法，其特征在于，
进行所述延性断裂韧性试验是对至少两个不同形状的所述构件或者至少两个不同大小的所述构件进行。
3.如权利要求2所述的三维裂尖约束效应表征方法，其特征在于，
得到所述构件的所述延性断裂韧性值是对所述荷载-位移试验曲线进行处理后计算得到。
4.如权利要求2所述的三维裂尖约束效应表征方法，其特征在于，
所述塑性功是根据拟合后的所述荷载-位移试验曲线计算得到。
5.一种三维裂尖等效应力场的表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
对至少两个构件进行延性断裂韧性试验，获得荷载-位移试验曲线；
根据所述荷载-位移试验曲线得到每一个所述构件的延性断裂韧性值以及塑性功；
根据所述塑性功计算所述构件的三维约束表征参量；
根据所述塑性功计算所述构件的所述三维约束表征参量时，是根据公式1进行计算，所述公式1为：
Figure FDA0002353554960000021
其中，Cp为三维约束表征参量；N为应变硬化指数；Up为塑性功；α为应变硬化系数；ε0为参考屈服应变；σ0为参考屈服应力；b为试样韧带长度；B为构件的厚度；
采用所述三维约束表征参量表征三维裂尖等效应力场；
采用所述三维约束表征参量表征所述三维裂尖等效应力场时，采用公式2进行计算，所述公式2为：
Figure FDA0002353554960000031
其中，σeq为等效应力，b为试样韧带长度，W为试样宽度，r为裂纹面上的点到裂尖的距离，C为弯曲应力系数，可通过有限元标定得到，M为单位厚度下的弯矩，N为应变硬化指数，σ0为参考屈服应力。
6.如权利要求5所述的三维裂尖等效应力场的表征方法，其特征在于，
所述σ0、所述N是由拉伸应力-应变曲线根据公式3拟合得到，所述公式3为：
Figure FDA0002353554960000032
其中，α为应变硬化系数，ε0为参考屈服应变。
7.一种评估金属结构延性断裂韧性的方法，其特征在于，
采用如权利要求1所述的三维裂尖约束效应表征方法得到所述三维约束表征参量与所述延性断裂韧性值之间的线性关系；
根据所述线性关系评估所述金属结构延性断裂韧性。
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