CN109959555B - 考虑厚度和裂纹深度影响的中心裂纹拉伸试样的孕育期预测方法 - Google Patents

考虑厚度和裂纹深度影响的中心裂纹拉伸试样的孕育期预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑厚度和深度影响的中心裂纹拉伸试样的孕育期预测方法，使用中心裂纹拉伸试样模型，计算提取孕育期，利用大量模拟数据，拟合公式，提出了中心裂纹拉伸试样的孕育期预测方法。本发明的有益效果是:简化了中心裂纹拉伸试样的孕育期预测步骤。

Description

考虑厚度和裂纹深度影响的中心裂纹拉伸试样的孕育期预测 方法
技术领域
本发明涉及考虑厚度和裂纹深度影响的中心裂纹拉伸试样(MT)的孕育期预测工程临界评价，或者，就是确定中心裂纹拉伸试样(MT)在含裂纹下时，评价此中心裂纹拉伸试样的孕育期。
背景技术
高温环境下服役的部件设备，在生产和服役的过程中难免会产生各种缺陷。蠕变裂纹的萌生和扩展是含缺陷高温构件的一个主要失效机制，并导致其在设计寿命之前失效。而蠕变裂纹的孕育期在高温部件的服役寿命中占有很大比重，为了确保高温环境下服役的部件的可靠性，对蠕变裂纹孕育期的研究也就显得愈加重要。蠕变萌生定义为显微裂纹(或孔洞)首次连接形成主要裂纹的时间。而孔洞和显微裂纹的产生和长大连接过程称为损伤。大量的理论和实验证明，蠕变裂纹萌生以及扩展是造成服役管道失效的主要原因。
国外学者提出了基于韧性耗散模型改进后的孕育期预测模型，该模型考虑了在不同应力状态下所发生的蠕变萌生。但是该预测模型的应用涉及大量复杂计算过程和具有一定保守性，对于实际的构件的应用还有一定局限。所以，亟需提出一个有效的计算高温不同构件中孕育期预测模型，以简化工程应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供考虑厚度和裂纹深度影响的中心裂纹拉伸试样的孕育期预测方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
本发明的考虑厚度和裂纹深度影响的中心裂纹拉伸试样的孕育期预测方法，包括以下步骤：
步骤1：确定中心裂纹拉伸试样的裂纹深度比率a/W、试样厚度B、应力强度因子K，其中：a为裂纹深度，单位为mm，W为试样宽度，单位为mm，试样厚度B的单位为mm，应力强度因子K的单位为MPa·mm1/2；
步骤2：将步骤1中的a/W、B、K代入下述关系式(I)中，计算得到孕育期ti，其中ti的单位为h：
Figure GDA0002964569040000023
(I)中：
Figure GDA0002964569040000021
Figure GDA0002964569040000022
优选的,所述中心裂纹拉伸试样的温度为600～700℃，优选为650℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种考虑厚度和深度影响的中心裂纹拉伸试样的孕育期预测方法，使用中心裂纹拉伸试样模型，计算提取孕育期，利用大量模拟数据，拟合公式，提出了中心裂纹拉伸试样的孕育期预测方法。本发明的有益效果是:简化了中心裂纹拉伸试样的孕育期预测步骤。
附图说明
图1所示为本发明的中心裂纹拉伸试样的蠕变孕育期预测模型的结构示意图。
其中：1-试样本体，2-上孔，3-下孔，4-预制裂纹。
图2所示为本发明的中心裂纹拉伸试样的有限元模型示意图。图2为图1中结构的四分之一。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本实施例选取P92高温耐热钢。
本发明的考虑厚度和裂纹深度影响的中心裂纹拉伸试样的孕育期预测方法，包括以下步骤：
S1：建立中心裂纹拉伸试样的蠕变孕育期预测模型，所述模型包括长方体结构的中心裂纹拉伸试样本体1，所述试样本体的上下两端对称设有上孔2和下孔3；在所述试样本体的对称面中部插入预制裂纹4，上孔2和下孔3内部施加恒定压力载荷；
S2：建立有限元模型见图2，通过后处理中的自定义变量获取损伤值随时间的变化，当所研究的裂纹前沿位置d(mm)的损伤值ω达到1的时候即为孕育期；d(mm)是判定蠕变萌生发生时裂尖前蠕变损伤达到1所延伸的距离，即蠕变萌生发生的临界距离；
S3：通过有限元模拟可以获得在不同的几何尺寸和载荷条件下含裂纹的中心裂纹拉伸试样的孕育期的具体数据；
(1)不同裂纹深度比率a/W(其中a(mm)为裂纹深度，W(mm)为试样宽度(见图1)。试样厚度B(mm)、应力强度因子K(MPamm1/2)情况下的孕育期ti(h)数据；
Figure GDA0002964569040000031
Figure GDA0002964569040000041
(2)根据步骤(1)中的数据建立孕育期ti关于裂纹深度比率a/W、试样厚度B、应力强度因子K等变量的函数；
Figure GDA0002964569040000046
Figure GDA0002964569040000042
Figure GDA0002964569040000043
优选的，d取所研究材料的晶粒尺寸，取0.05mm。
优选的，所述步骤S3中有限元模拟采用abaqus完成，ti的提取过程包括以下步骤：
(1)首先按照尺寸，建立含裂纹的中心裂纹拉伸试样的有限元模型，在材料属性模块里设置弹性塑性参数，在载荷模块里设置压缩载荷，以及拘束条件，所述拘束条件包括对称条件和固定条件，在分析步模块里设置好输出参量：损伤值ω，在网格模块划分网格，裂纹尖端划分更加紧密，如图2所示；
(2)在作业模块提交任务计算，获得试样蠕变的计算结果，结果文件中，从自定义变量中可以获取损伤值ω；
(3)通过后处理中的自定义变量获取损伤值随时间的变化，当所研究的裂纹前沿位置d的损伤值ω达到1的时候即为孕育期；
具体的：
本实施例选取P92高温耐热钢，以a/W＝0.5，B＝25mm，K＝20MPamm1/2，的中心裂纹拉伸试样作为研究对象。其主要材料属性见下表：
Figure GDA0002964569040000044
(1)确定裂纹深度比率a/W、试样厚度B、应力强度因子K等参数：
a/W＝0.5，B＝25mm，K＝20MPamm1/2；
(2)带入上述公式中计算中心裂纹拉伸试样裂纹的孕育期预测模型：
Figure GDA0002964569040000045
Figure GDA0002964569040000051
Figure GDA0002964569040000052
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.考虑厚度和裂纹深度影响的中心裂纹拉伸试样的孕育期预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定中心裂纹拉伸试样的裂纹深度比率a/W、试样厚度B和应力强度因子K，其中：a为裂纹深度，单位为mm，W为试样宽度，单位为mm，试样厚度B的单位为mm，应力强度因子K的单位为MPa·mm1/2；
步骤2：将步骤1中的a/W、B和K代入下述关系式(I)中，计算得到孕育期ti，其中ti的单位为h：
Figure FDA0002964569030000011
(I)中：
Figure FDA0002964569030000012
Figure FDA0002964569030000013
2.如权利要求1所述的考虑厚度和裂纹深度影响的中心裂纹拉伸试样的孕育期预测方法，其特征在于，所述中心裂纹拉伸试样的温度为600～700℃。
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