CN111539142B - 一种管道裂纹扩展驱动力计算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法及系统，其中，管道裂纹扩展驱动力计算方法，包括：在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；边界条件包括对称约束和固定约束；对有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在有限元计算后提取数据；通过有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；根据第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及断裂力学领域，尤其涉及一种管道裂纹扩展驱动力计算方法。
背景技术
管道在服役过程中受复杂地质条件(如不连续多年冻土带、地震、滑坡和地面沉降)、安装施工和实际运营等因素的影响，会产生1-3％的名义轴向应变。如果管道无法承受安装和服役时环境所产生的应变，就会发生泄漏或破裂。这不仅会造成巨大的经济损失，还将造成环境污染、生态破坏等灾难性后果，严重影响社会平稳运行。为了保证管道的结构完整性，需要依据基于断裂力学的BS7910和DNVGL-RP-F108等国际标准，对其进行工程临界评估(ECA)。在对承受塑性变形管道进行工程临界评估时，针对特定的材料和构件形式，需要精确测定其裂纹扩展驱动力。
迄今为止，失效评估图(FAD)是应用最为广泛的含缺陷结构断裂评估方法，其已被BS7910，R6，FITNET和API579等缺陷评定标准所采纳。失效评估图法有参考应力法和参考应变法两种，考虑断裂和失稳两种失效模式。目前，国际上使用较为广泛的几种基于应力的裂纹扩展驱动力(J积分)计算方法为：美国电力研究所(Electric power researchinstitute，EPRI)法、参考应力法和改进的参考应力法等。
上述方法的精度值极大地依赖于极限载荷解的选取，但在计算特定材料和构件形式的极限载荷解时，存在结果不够准确(导致断裂评估结果不够保守或过于保守)、计算极限载荷解的中间变量物理意义和理论基础不明确、未考虑裂纹尺寸和材料性能对极限载荷解的影响等问题。
因此，如何提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法及系统，提出一个理论基础和物理意义明确、能精准计算裂纹扩展驱动力的简化参考应力法，对承受塑性变形管道进行断裂评估，成为亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，包括，
在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；
根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。
可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数；
其中，c为裂纹半长度；D为管道外径；a为裂纹深度；t为管道壁厚。
可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，
所述通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：
获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据；
通过参数化分析，构建第一无量纲系数λ的表达式：
使用Levenberg-Marquardt法对所述第一无量纲系数λ的表达式进行多项式拟合，得到第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值；
将所述各拟合系数值代入λ的表达式中，得到所述第一无量纲系数λ的计算公式；
根据所述第一无量纲系数的计算公式，计算得到第一无量纲系数。
可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，
所述第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值为：
β0＝1.1002，β1＝0.0684，β2＝0.0082，β3＝0.1865，β4＝2.6559，β5＝0.0289，β6＝1.6237，β7＝0.0003，β8＝0.4599，β9＝0.5851，β10＝0.4302；
所述第一无量纲系数λ的计算公式为：
可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，
所述根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力，具体包括：
根据所述第一无量纲系数λ，计算参考应力σref具体公式为：
σref＝σ/λ；
其中，σ是远端施加应力；
根据所述参考应力σref，计算得到对应于σref的参考应变εref，进一步计算得到裂纹扩展驱动力；
参考应变εref计算公式为：
裂纹扩展驱动力计算公式为：
其中，α是硬化常数，σ0为屈服强度，ε0为屈服应变，n为应变硬化指数；
Jel为J积分的弹性部分，E为杨氏模量，KI为I型应力强度因子。
可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，
所述第一无量纲系数λ的计算公式适用于任何屈服强度σ0、10≤D/t≤30、0.1≤a/t≤0.5、0.05≤2c/πD≤0.20、10≤n≤25以及0.015≤εn≤0.04的情形；其中，εn为名义应变。
可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，
所述有限元模型采用ABAQUS软件或ANSYS软件构建。
第二方面，本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算系统，包括：
模型设置模块，用于在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
数据提取模块，与模型设置模块相连，用于对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；
参数计算模块，与数据提取模块相连，用于通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；
数据分析模块，与参数计算模块相连，用于根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述管道裂纹扩展驱动力计算方法的各个步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述管道裂纹扩展驱动力计算方法的各个步骤。
本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法及系统，通过构建一个取决于裂纹尺寸和材料性能的第一无量纲系数，将含裂纹结构件的参考应力直接与远端施加应力相关联，简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例提供的管道裂纹扩展驱动力计算方法流程图；
图2为本发明实施例提供的含外表面椭圆形裂纹的管道有限元模型示意图；
图3为本发明实施例提供的管道横截面示意图；
图4为本发明实施例提供的管道裂纹扩展驱动力计算系统结构示意图；
图5为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。
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。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。
图1为本发明实施例提供的管道裂纹扩展驱动力计算方法流程图，如图1所示，该方法包括：
步骤S1，在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
步骤S2，对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；
步骤S3，通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；
步骤S4，根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。
具体的，步骤S1，通过有限元分析软件材料属性模块在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并通过有限元分析软件载荷模块设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
图2为本发明实施例提供的含外表面椭圆形裂纹的管道有限元模型示意图，如图2所示，所述管道本体受到远端均布拉伸载荷，在管道的厚度方向开有外表面椭圆形裂纹，裂纹面垂直于管道轴向，即承受轴向应变。
步骤S2，对所述有限元模型划分网格，有限元分析软件交互模块设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并通过有限元分析软件处理模块在所述有限元计算后提取数据；
步骤S3，通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；
步骤S4，根据所述第一无量纲系数，以及相关裂纹扩展驱动力计算所需参数，计算得到裂纹扩展驱动力。
在上述实施例的基础上，步骤S1，在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件之前，还包括通过有限元分析软件构建所述管道的有限元模型；需要说明的是，目前流行的有限元分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等，在本发明实施例中，不对构建限元模型的有限元分析软件进行限定，具体使用的有限元分析软件可根据实际情况进行选择。
本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，通过构建一个取决于裂纹尺寸和材料性能的第一无量纲系数，将含裂纹结构件的参考应力直接与远端施加应力相关联，简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。
基于上述实施例，可选的，在上述管道裂纹扩展驱动力计算方法中，所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数；
其中，c为裂纹半长度；D为管道外径；a为裂纹深度；t为管道壁厚。
具体的，由于所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数，因此通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，通过大量的数据数学拟合得到第一无量纲系数λ与裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n的经验公式，进一步计算得到第一无量纲系数。
图3为本发明实施例提供的管道横截面示意图，如图3所示，其中，c为裂纹半长度，单位为mm；D为管道外径，单位为mm；a为裂纹深度，单位为mm；t为管道壁厚，单位为mm；r为管道半径，单位为mm。
本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，通过构建一个与裂纹长度比、裂纹深度比、管道径厚比和硬化指数有关，仅取决于裂纹尺寸和材料性能的第一无量纲系数，将含裂纹结构件的参考应力直接与远端施加应力相关联，简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。
基于上述实施例，可选的，在上述管道裂纹扩展驱动力计算方法中，所述通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：
获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据；
通过参数化分析，构建第一无量纲系数λ的表达式：
使用Levenberg-Marquardt法对所述第一无量纲系数λ的表达式进行多项式拟合，得到第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值；
将所述各拟合系数值代入λ的表达式中，得到所述第一无量纲系数λ的计算公式；
根据所述第一无量纲系数的计算公式，计算得到第一无量纲系数。
具体的，获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，如下表所示：
对上述数据进行参数化分析，通过参数化分析，构建第一无量纲系数λ的表达式：
所述第一无量纲系数λ的表达式为变量是裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n的函数表达式。
使用Levenberg-Marquardt法对所述第一无量纲系数λ的表达式进行多项式拟合，得到第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值；
将所述各拟合系数值代入λ的表达式中，得到所述第一无量纲系数λ的计算公式；
计算第一无量纲系数时，只需得到管道的裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n，就可将上述数据代入所述第一无量纲系数的计算公式，计算得到第一无量纲系数。
本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，通过构建一个与裂纹长度比、裂纹深度比、管道径厚比和硬化指数有关，仅取决于裂纹尺寸和材料性能的第一无量纲系数，将含裂纹结构件的参考应力直接与远端施加应力相关联，简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。
基于上述实施例，可选的，在上述管道裂纹扩展驱动力计算方法中，所述第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值为：
β0＝1.1002，β1＝0.0684，β2＝0.0082，β3＝0.1865，β4＝2.6559，β5＝0.0289，β6＝1.6237，β7＝0.0003，β8＝0.4599，β9＝0.5851，β10＝0.4302；
所述第一无量纲系数λ的计算公式为：
具体的，根据上述表格内的不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，以及第一无量纲系数λ的表达式。使用Levenberg-Marquardt法对所述第一无量纲系数λ的表达式进行多项式拟合，得到第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值，其中，β0＝1.1002，β1＝0.0684，β2＝0.0082，β3＝0.1865，β4＝2.6559，β5＝0.0289，β6＝1.6237，β7＝0.0003，β8＝0.4599，β9＝0.5851，β10＝0.4302。
将上述各拟合系数值代入λ的表达式中，得到所述第一无量纲系数λ的计算公式为：
本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，通过构建一个与裂纹长度比、裂纹深度比、管道径厚比和硬化指数有关，仅取决于裂纹尺寸和材料性能的第一无量纲系数，将含裂纹结构件的参考应力直接与远端施加应力相关联，简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。
基于上述实施例，可选的，在上述管道裂纹扩展驱动力计算方法中，所述根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力，具体包括：
根据所述第一无量纲系数λ，计算参考应力σref，具体公式为：
σref＝σ/λ；
其中，σ是远端施加应力；
根据所述参考应力σref，计算得到对应于σref的参考应变εref，进一步计算得到裂纹扩展驱动力；
参考应变εref计算公式为：
裂纹扩展驱动力计算公式为：
其中，α是硬化常数，σ0为屈服强度，ε0为屈服应变，n为应变硬化指数；
Jel为J积分的弹性部分，E为杨氏模量，KI为I型应力强度因子。
具体的，获取管道的裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n，并将上述数据代入上述第一无量纲系数λ的计算公式，计算得到第一无量纲系数λ。
根据所述第一无量纲系数λ，得到修正的极限载荷解PL的计算公式：
PL＝2πrtσλ；
由远端载荷P的计算公式P＝2πrtσ和参考应力σref的定义结合修正的极限载荷解PL的计算公式，得到计算参考应力σref的公式：σref＝σ/λ。
其中，r为管道半径；σ表示远端施加应力，它是物体外部施加载荷的大小与受载荷面积之比，单位为MPa。
通过上述计算参考应力σref的公式计算得到参考应力σref，单位为MPa；
在计算得到参考应力σref后，通过参考应力σref，以及参考应变εref的计算公式计算得到对应于σref的参考应变εref。其中，σ0为屈服强度，ε0为屈服应变，n为应变硬化指数。
最后，通过裂纹扩展驱动力计算公式计算得到裂纹扩展驱动力。
其中，α是硬化常数，Jel为J积分的弹性部分，E为杨氏模量，KI为I型应力强度因子。
其中，硬化常数α，杨氏模量E和I型应力强度因子KI的数值可以查阅标准“BS7910.Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallicstructures”附录中的M4.1部分得到；其余计算使用数据均通过所述有限元模型模拟以获取。
本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，通过构建一个与裂纹长度比、裂纹深度比、管道径厚比和硬化指数有关，仅取决于裂纹尺寸和材料性能的第一无量纲系数，将含裂纹结构件的参考应力直接与远端施加应力相关联，简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。
基于上述实施例，可选的，在上述管道裂纹扩展驱动力计算方法中，所述第一无量纲系数λ的计算公式适用于任何屈服强度σ0、10≤D/t≤30、0.1≤a/t≤0.5、0.05≤2c/πD≤0.20、10≤n≤25以及0.015≤εn≤0.04的情形；其中，εn为名义应变。
具体的，由于在本实施例中，用于进行参数化分析，通过参数化分析，构建第一无量纲系数λ的表达式；以及使用Levenberg-Marquardt法对所述第一无量纲系数λ的表达式进行多项式拟合，得到第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值；使用的表格中的不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，均属于10≤D/t≤30、0.1≤a/t≤0.5、0.05≤2c/πD≤0.20、10≤n≤25的范围内。
因此，上述第一无量纲系数λ的计算公式仅适用于任何屈服强度σ0、10≤D/t≤30、0.1≤a/t≤0.5、0.05≤2c/πD≤0.20、10≤n≤25以及0.015≤εn≤0.04的情形；其中，εn为名义应变。
在实际情况中，也可更改上述范围，重新使用不同的数据进行参数化分析，构建第一无量纲系数λ的表达式，并对所述第一无量纲系数λ的表达式进行多项式拟合，得到第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值，进而得到第一无量纲系数λ的计算公式。
本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，通过构建一个与裂纹长度比、裂纹深度比、管道径厚比和硬化指数有关，仅取决于裂纹尺寸和材料性能的第一无量纲系数，将含裂纹结构件的参考应力直接与远端施加应力相关联，简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。
基于上述实施例，可选的，在上述管道裂纹扩展驱动力计算方法中，所述有限元模型采用ABAQUS软件或ANSYS软件构建。
具体的，目前流行的有限元分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等，在本发明实施例中，优选采用ABAQUS软件或ANSYS软件构建限元模型。
本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，通过构建一个与裂纹长度比、裂纹深度比、管道径厚比和硬化指数有关，仅取决于裂纹尺寸和材料性能的第一无量纲系数，将含裂纹结构件的参考应力直接与远端施加应力相关联，简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。
下面结合具体实例对本发明技术方案做进一步详述，管道本体受到远端均布拉伸载荷，在管道的厚度方向开有外表面椭圆形裂纹，裂纹面垂直于管道轴向，即承受轴向应变。
选取X80管线钢，以管道外径D＝355.6mm，裂纹深度a＝3.02mm，裂纹半长度c＝100mm，管道壁厚t＝15.9mm，屈服强度σ0＝498MPa，硬化指数n＝17.8，杨氏模量E＝207000Gpa，材料泊松比v＝0.3的含椭圆形外表面轴向裂纹的管道作为研究对象，假设此管道承受的远端施加应力σ＝400MPa。
管道裂纹扩展驱动力计算方法，具体包括：
确定不同裂纹长2c/πD、裂纹深度a/t、管道径厚比D/t等参数：
其中，2c/πD＝0.179，a/t＝0.190，D/t＝22.365；
将上述参数代入第一无量纲系数λ的计算公式中，计算得到第一无量纲系数λ具体数值；
根据第一无量纲系数λ，以及计算参考应力σref的公式σref＝σ/λ，计算得到参考应力σref＝σ/λ＝400/0.886＝451.572MPa。
根据参考应变εref的计算公式J积分的弹性部分Jel的计算公式/>以及裂纹扩展驱动力计算公式/>
计算得到：
因此，当σ＝400MPa时的裂纹扩展驱动力：
图4为本发明实施例提供的管道裂纹扩展驱动力计算系统结构示意图，如图4所示，管道裂纹扩展驱动力计算系统，包括：
模型设置模块410，用于在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
数据提取模块420，与模型设置模块410相连，用于对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；
参数计算模块430，与数据提取模块420相连，用于通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；
数据分析模块440，与参数计算模块430相连，用于根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。
具体的，模型设置模块410，用于通过有限元分析软件材料属性模块在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并通过有限元分析软件载荷模块设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
图2为本发明实施例提供的含外表面椭圆形裂纹的管道有限元模型示意图，如图2所示，所述管道本体受到远端均布拉伸载荷，在管道的厚度方向开有外表面椭圆形裂纹，裂纹面垂直于管道轴向，即承受轴向应变。
数据提取模块420，与模型设置模块410相连，用于对所述有限元模型划分网格，有限元分析软件交互模块设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并通过有限元分析软件处理模块在所述有限元计算后提取数据；
参数计算模块430，与数据提取模块420相连，用于通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；
数据分析模块440，与参数计算模块430相连，用于根据所述第一无量纲系数，以及相关裂纹扩展驱动力计算所需参数，计算得到裂纹扩展驱动力。
在上述实施例的基础上，在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件之前，还包括通过有限元分析软件构建所述管道的有限元模型；需要说明的是，目前流行的有限元分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等，在本发明实施例中，不对构建限元模型的有限元分析软件进行限定，具体使用的有限元分析软件可根据实际情况进行选择。
本发明实施例提供的管道裂纹扩展驱动力计算系统用于执行在上述管道裂纹扩展驱动力计算方法中，其具体的实施方式与方法实施方式一致,此处不再赘述。
本发明实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算系统，通过构建一个取决于裂纹尺寸和材料性能的第一无量纲系数，将含裂纹结构件的参考应力直接与远端施加应力相关联，简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。
图5为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图5所示，所述电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行上述管道裂纹扩展驱动力计算方法的各个步骤。例如：在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行，用以实现执行上述各实施例提供的管道裂纹扩展驱动力计算方法。例如包括：在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，其特征在于，包括，
在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；
根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力；
其中，通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数；
其中，c为裂纹半长度；D为管道外径；a为裂纹深度；t为管道壁厚；
其中，通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：
获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据；
通过参数化分析，构建第一无量纲系数λ的表达式：
使用Levenberg-Marquardt法对所述第一无量纲系数λ的表达式进行多项式拟合，得到第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值；
将所述各拟合系数值代入第一无量纲系数λ的表达式中，得到所述第一无量纲系数λ的计算公式；
根据所述第一无量纲系数的计算公式，计算得到第一无量纲系数；
其中，根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力，具体包括：
根据所述第一无量纲系数λ，计算参考应力σref；所述参考应力σref的计算公式为：
σref＝σ/λ；
其中，σ是远端施加应力；
根据所述参考应力σref，计算得到对应于σref的参考应变εref；根据所述参考应力σref与参考应变εref计算得到裂纹扩展驱动力；
参考应变εref计算公式为：
裂纹扩展驱动力计算公式为：
其中，α是硬化常数，σ0为屈服强度，ε0为屈服应变，n为应变硬化指数；
Jel为J积分的弹性部分，E为杨氏模量，KI为I型应力强度因子。
2.根据权利要求1所述的管道裂纹扩展驱动力计算方法，其特征在于，
所述第一无量纲系数λ的计算公式适用于任何屈服强度σ0、10≤D/t≤30、0.1≤a/t≤0.5、0.05≤2c/πD≤0.20、10≤n≤25以及0.015≤εn≤0.04的情形；其中，εn为名义应变。
3.根据权利要求1所述的管道裂纹扩展驱动力计算方法，其特征在于，
所述有限元模型采用ABAQUS软件或ANSYS软件构建。
4.一种基于权利要求1至3中任一项所述的管道裂纹扩展驱动力计算方法的管道裂纹扩展驱动力计算系统，其特征在于，包括：
模型设置模块，用于在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
数据提取模块，与模型设置模块相连，用于对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；
参数计算模块，与数据提取模块相连，通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；
数据分析模块，与参数计算模块相连，用于根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力；
其中，参数计算模块用于通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数；
其中，c为裂纹半长度；D为管道外径；a为裂纹深度；t为管道壁厚；
其中，通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：
获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据；
通过参数化分析，构建第一无量纲系数λ的表达式：
使用Levenberg-Marquardt法对所述第一无量纲系数λ的表达式进行多项式拟合，得到第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值；
将所述各拟合系数值代入第一无量纲系数λ的表达式中，得到所述第一无量纲系数λ的计算公式；
根据所述第一无量纲系数的计算公式，计算得到第一无量纲系数；
其中，数据分析模块用于根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力，具体包括：
根据所述第一无量纲系数λ，计算参考应力σref；所述参考应力σref的计算公式为：
σref＝σ/λ；
其中，σ是远端施加应力；
根据所述参考应力σref，计算得到对应于σref的参考应变εref；根据所述参考应力σref与参考应变εref计算得到裂纹扩展驱动力；
参考应变εref计算公式为：
裂纹扩展驱动力计算公式为：
其中，α是硬化常数，σ0为屈服强度，ε0为屈服应变，n为应变硬化指数；
Jel为J积分的弹性部分，E为杨氏模量，KI为I型应力强度因子。
5.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至3任一项所述管道裂纹扩展驱动力计算方法的步骤。
6.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至3任一项所述管道裂纹扩展驱动力计算方法的步骤。
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