CN111539144A - 一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统，其中，方法包括：在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；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，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；通过单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到含裂纹结构件的断裂韧性。由拘束参量与断裂韧性之间的关系，建立实验室试样测得断裂韧性与工程实际中含裂纹结构件断裂韧性之间的关系。

Description

一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统
技术领域
本发明涉及断裂力学领域，尤其涉及一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统。
背景技术
由于生产和服役中的腐蚀介质、应力和杂质等原因，陆地石油管道可能会产生各种缺陷导致失效。为保证管道的安全运营，必须对含缺陷(裂纹)的管道进行结构完整性评估。断裂韧性是结构完整性评估中的一项重要输入参量，其精度对合于“合于使用”思想在工程实际中的应用具有至关重要的作用。为获得延性/韧性材料的断裂韧性，使用实验室尺度的标准断裂试样，对描述其裂纹萌生和稳态扩展的裂纹扩展阻力曲线(CTOD-R曲线或J-R曲线)进行测定。但是，材料的断裂韧性会受到裂纹尖端的应力应变场，即裂纹尖端拘束度的影响；而试样的几何形状和尺寸等因素会显著改变材料的裂纹尖端拘束度，影响断裂韧性的测定结果。因此，在使用断裂力学进行结构设计和完整性评估时，需要特别考虑实验室测定断裂韧性与含裂纹结构件断裂韧性之间的可转移性。
近年来，针对试样尺寸变化对断裂性能的研究，主要是通过裂纹尖端拘束度来修正断裂韧性。许多学者在拘束效应的表征方面做了大量工作，并发现将J积分作为载荷水平的唯一度量无法准确描述裂纹尖端的应力应变场。为了更加精确地表征裂纹尖端的应力场，通过引入第二项拘束参量，先后提出过K-T，J-T，J-Q和J-A2等双参数理论。但是在实际三维结构中，弹塑性裂纹的受力状态十分复杂，其应力状态介于平面应变与平面应力之间。双参数理论解本质上是二维裂纹解的高阶近似，无法准确描述面外拘束对裂纹尖端应力场的作用，在实际工程中的应用具有一定的局限性。
因此，如何提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统，引入一个有效的表征三维裂纹尖端应力场的拘束参量，将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来，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含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，包括：
在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；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，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；
通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性。
可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述单边缺口拉伸试样采用夹持加载形式对单边缺口拉伸试样本体进行加载，所述单边缺口拉伸试样本体的中部有贯穿试样宽度方向的缺口，所述缺口设有疲劳预制裂纹，所述缺口与所述疲劳预制裂纹在垂直于试样长度方向的同一平面上。
可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量，具体包括：
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场和作用于韧带的全局弯矩M；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和所述作用于韧带的全局弯矩M，计算得到线性化修正因子；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及所述单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场、所述作用于韧带的全局弯矩M和所述线性化修正因子，计算得到拘束参量。
可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的正应力，硬化常数α，屈服强度σ0，屈服应变ε0，应变强化指数n，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r，裂纹尖端角度θ，取决于应变强化指数n的积分常量In；
结合与裂纹尖端角度θ和应变强化指数n有关的无量应力函数，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场。
可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到作用于韧带的全局弯矩M，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取裂纹深度a，试样宽度W，远端施加应力σ∞，计算得到作用于韧带的全局弯矩M。
可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和所述作用于韧带的全局弯矩M，计算得到线性化修正因子，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取韧带长度b，研究区域内的两点到裂纹前沿研究点的间距r1和r2，分别对应于r1和r2的张开应力
Figure BDA0002458845880000041
和
Figure BDA0002458845880000042
结合已计算得到的作用于韧带的全局弯矩M，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场，计算得到线性化修正因子。
可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及所述单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场、所述作用于韧带的全局弯矩M和所述线性化修正因子，计算得到拘束参量，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取硬化常数α，屈服强度σ0，屈服应变ε0，应变强化指数n，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r，取决于n的积分常量In，韧带长度b，特征长度L，有限元模型在裂纹前缘z方向的张开应力；
结合计算得到的作用于韧带的全局弯矩M，单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和线性化修正因子，计算得到拘束参量。
可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性，具体包括：
将所述拘束参量代入有关于拘束参量的断裂韧性函数表达式，计算得到断裂韧性；
所述有关于拘束参量的断裂韧性函数表达式，通过获取相同裂纹深度、相同侧边槽形状但不同厚度的单边缺口拉伸试样的断裂韧性与拘束参量的数值，对所述断裂韧性与拘束参量的数值进行线性拟合得到。
第二方面，本发明实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算系统，包括：
模型设置模块，用于在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
数据提取模块，与模型构建模块相连，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；
参量计算模块，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，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；
数据分析模块，与参量计算模块相连，用于通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性。
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含裂纹结构件的断裂韧性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含裂纹结构件的断裂韧性计算方法的各个步骤。
本发明实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统，通过引入一个与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与断裂韧性之间存在线性回归关系的拘束参量。能够很好地表征单边缺口拉伸试样三维裂纹尖端拘束度对断裂韧性的影响，有效的将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来。
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含裂纹结构件的断裂韧性计算方法流程图；
图2为本发明实施例提供的单边缺口拉伸试样夹持加载示意图；
图3为本发明实施例提供的裂纹前缘所受的三向应力状态示意图；
图4为本发明实施例提供的在J＝600N/mm载荷水平下断裂韧性δIC与拘束参量Qz的关系图；
图5为本发明实施例提供的含裂纹结构件的断裂韧性计算系统结构示意图；
图6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含裂纹结构件的断裂韧性计算方法流程图，如图1所示，该方法包括：
步骤S1，在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；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，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；
步骤S4，通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性。
具体的，步骤S1，通过有限元分析软件的材料属性模块，在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系，并通过有限元分析软件的载荷模块设置单边缺口拉伸试样的拉伸载荷以及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；所述单边缺口拉伸试样的有限元模型为根据工程实际中待测含裂纹结构件建立的。
步骤S2，对所述有限元模型划分网格，通过有限元分析软件的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的处理模块在所述有限元计算后提取数据；所述输出参量选择J积分，单位为N/mm。
步骤S3，通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；
步骤S4，通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述工程实际中待测含裂纹结构件的断裂韧性。
本实施例提供的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，多应用于计算含裂纹管道的断裂韧性。
在上述实施例的基础上，步骤S1，在预先建立的单边缺口拉伸试样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之前，还包括通过有限元分析软件构建所述单边缺口拉伸试样的有限元模型；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含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，基于拘束是应力场的一种度量形式，其表征应力场的状态是否会导致韧性断裂。通过引入一个与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与断裂韧性之间存在线性回归关系的拘束参量。能够准确的描述面外拘束对裂纹尖端应力场的作用，很好地表征单边缺口拉伸试样三维裂纹尖端拘束度对断裂韧性的影响，通过拘束参量与断裂韧性之间的关系，建立实验室试样测得断裂韧性与工程实际中含裂纹结构件断裂韧性之间的关系，有效的将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来。
基于上述实施例，可选的，上述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述单边缺口拉伸试样采用夹持加载形式对单边缺口拉伸试样本体进行加载，所述单边缺口拉伸试样本体的中部有贯穿试样宽度方向的缺口，所述缺口设有疲劳预制裂纹，所述缺口与所述疲劳预制裂纹在垂直于试样长度方向的同一平面上。
具体的，图2为本发明实施例提供的单边缺口拉伸试样夹持加载示意图，如图2所示，所述单边缺口拉伸试样采用夹持加载形式对单边缺口拉伸试样本体进行加载，图2中，W为单边缺口拉伸试样的宽度，B为单边缺口拉伸试样的厚度，H为两夹持端部间的长度，a为裂纹深度，单边缺口拉伸试样上下两端受到外部施加载荷，所述单边缺口拉伸试样本体的中部有贯穿试样宽度方向的缺口，所述缺口设有疲劳预制裂纹，所述缺口与所述疲劳预制裂纹在垂直于试样长度方向的同一平面上。
本发明实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，基于修正的J-Q双参数理论和J-Tz双参数理论，将全局弯曲应力和试样厚度对单边缺口拉伸试样裂纹尖端应力场的影响纳入考虑，提出改进的J-Qz-M三参数拘束理论。由于拘束是应力场的一种度量形式，其表征应力场的状态是否会导致韧性断裂。通过引入一个与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与断裂韧性之间存在线性回归关系的拘束参量。能够准确的描述面外拘束对裂纹尖端应力场的作用，很好地表征单边缺口拉伸试样三维裂纹尖端拘束度对断裂韧性的影响，通过拘束参量与断裂韧性之间的关系，建立实验室试样测得断裂韧性与工程实际中含裂纹结构件断裂韧性之间的关系，有效的将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来。基于上述实施例，可选的，上述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量，具体包括：
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场和作用于韧带的全局弯矩M；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和所述作用于韧带的全局弯矩M，计算得到线性化修正因子；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及所述单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场、所述作用于韧带的全局弯矩M和所述线性化修正因子，计算得到拘束参量。
具体的，将通过所述有限元模型模拟得到的用于计算单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场和作用于韧带的全局弯矩M所需的数据，并将上述数据代入计算公式，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场和作用于韧带的全局弯矩M；
将通过所述有限元模型模拟得到的用于计算线性化修正因子所需的数据，以及计算线性化修正因子所需并已经求得的单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和所述作用于韧带的全局弯矩M，代入计算线性化修正因子的计算公式，计算得到线性化修正因子；
将通过所述有限元模型模拟得到的用于计算拘束参量所需的数据，以及计算拘束参量所需并已经求得的所述单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场、所述作用于韧带的全局弯矩M和所述线性化修正因子，代入计算拘束参量的计算公式，计算得到拘束参量。
本发明实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，基于修正的J-Q双参数理论和J-Tz双参数理论，将全局弯曲应力和试样厚度对单边缺口拉伸试样裂纹尖端应力场的影响纳入考虑，提出改进的J-Qz-M三参数拘束理论。由于拘束是应力场的一种度量形式，其表征应力场的状态是否会导致韧性断裂。通过引入一个与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与断裂韧性之间存在线性回归关系的拘束参量。能够准确的描述面外拘束对裂纹尖端应力场的作用，很好地表征单边缺口拉伸试样三维裂纹尖端拘束度对断裂韧性的影响，通过拘束参量与断裂韧性之间的关系，建立实验室试样测得断裂韧性与工程实际中含裂纹结构件断裂韧性之间的关系，有效的将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来。
基于上述实施例，可选的，上述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的正应力，硬化常数α，屈服强度σ0，屈服应变ε0，应变强化指数n，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r，裂纹尖端角度θ，取决于应变强化指数n的积分常量In；
结合与裂纹尖端角度θ和应变强化指数n有关的无量应力函数，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场。
具体的，图3为本发明实施例提供的裂纹前缘所受的三向应力状态示意图，如图3所示，单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向受到正应力；
将通过所述有限元模型模拟以获取的硬化常数α，屈服强度σ0，屈服应变ε0，应变强化指数n，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r，裂纹尖端角度θ，取决于应变强化指数n的积分常量In；以及与裂纹尖端角度θ和应变强化指数n有关的无量应力函数
Figure BDA0002458845880000111
和
Figure BDA0002458845880000112
代入计算公式：
Figure BDA0002458845880000113
和
Figure BDA0002458845880000114
计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向的HRR场
Figure BDA0002458845880000121
和
Figure BDA0002458845880000122
单位为MPa。
其中，所述与裂纹尖端角度θ和应变强化指数n有关的无量应力函数
Figure BDA0002458845880000123
和
Figure BDA0002458845880000124
的数值，可通过查阅文献[Shih,C.F..1983.Tables of Hutchinson-Rice-Rosengren Singular Field Quantities.Brown University Technical Report,MRL E-147.]得到。屈服应变ε0＝σ0/E，E为弹性模量。
将通过所述有限元模型模拟以获取的单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的正应力σxx、σyy和σzz，
代入计算无量纲的面外拘束参量Tz的计算公式：
Figure BDA0002458845880000125
计算得到无量纲的面外拘束参量Tz。
将上述计算得到的单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向的HRR场，以及无量纲的面外拘束参量Tz，代入公式：
Figure BDA0002458845880000126
计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场
Figure BDA0002458845880000127
单位为MPa。
优选的，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r＝2J/σ0。
本发明实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，基于修正的J-Q双参数理论和J-Tz双参数理论，将全局弯曲应力和试样厚度对单边缺口拉伸试样裂纹尖端应力场的影响纳入考虑，提出改进的J-Qz-M三参数拘束理论。由于拘束是应力场的一种度量形式，其表征应力场的状态是否会导致韧性断裂。通过引入一个与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与断裂韧性之间存在线性回归关系的拘束参量。能够准确的描述面外拘束对裂纹尖端应力场的作用，很好地表征单边缺口拉伸试样三维裂纹尖端拘束度对断裂韧性的影响，通过拘束参量与断裂韧性之间的关系，建立实验室试样测得断裂韧性与工程实际中含裂纹结构件断裂韧性之间的关系，有效的将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来。
基于上述实施例，可选的，上述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到作用于韧带的全局弯矩M，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取裂纹深度a，试样宽度W，远端施加应力σ∞，计算得到作用于韧带的全局弯矩M。
具体的，将通过所述有限元模型模拟以获取的数据，裂纹深度a，试样宽度W，远端施加应力σ∞，
代入对于夹持加载的单边缺口拉伸试样韧带的全局弯矩M计算公式：M＝σ∞aW/2，计算得到作用于韧带的全局弯矩M，单位为KN·mm。
其中，裂纹深度a，单位为mm；试样宽度W，单位为mm；远端施加应力σ∞，单位MPa。
本发明实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，基于修正的J-Q双参数理论和J-Tz双参数理论，将全局弯曲应力和试样厚度对单边缺口拉伸试样裂纹尖端应力场的影响纳入考虑，提出改进的J-Qz-M三参数拘束理论。由于拘束是应力场的一种度量形式，其表征应力场的状态是否会导致韧性断裂。通过引入一个与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与断裂韧性之间存在线性回归关系的拘束参量。以及对单边缺口拉伸试样韧带的全局弯矩M的计算，将试样宽度以及试样远端施加应力与拘束参量Qz紧密联系。能够准确的描述面外拘束对裂纹尖端应力场的作用，很好地表征单边缺口拉伸试样三维裂纹尖端拘束度对断裂韧性的影响，通过拘束参量与断裂韧性之间的关系，建立实验室试样测得断裂韧性与工程实际中含裂纹结构件断裂韧性之间的关系，有效的将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来。
基于上述实施例，可选的，上述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和所述作用于韧带的全局弯矩M，计算得到线性化修正因子，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取韧带长度b，研究区域内的两点到裂纹前沿研究点的间距r1和r2，分别对应于r1和r2的张开应力
Figure BDA0002458845880000141
和
Figure BDA0002458845880000142
结合已计算得到的作用于韧带的全局弯矩M，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场，计算得到线性化修正因子。
具体的，计算线性化修正因子C′的公式如下：
Figure BDA0002458845880000143
将通过所述有限元模型模拟以获取的数据，韧带长度b，研究区域内的两点到裂纹前沿研究点的间距r1和r2，分别对应于r1和r2的张开应力
Figure BDA0002458845880000144
和
Figure BDA0002458845880000145
以及已计算得到的作用于韧带的全局弯矩M，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场
Figure BDA0002458845880000146
代入上述计算线性化修正因子C′的公式中，计算得到线性化修正因子C′。
其中，韧带长度b，单位为mm；分别对应于r1和r2的张开应力
Figure BDA0002458845880000151
和
Figure BDA0002458845880000152
单位为MPa。
本发明实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，基于修正的J-Q双参数理论和J-Tz双参数理论，将全局弯曲应力和试样厚度对单边缺口拉伸试样裂纹尖端应力场的影响纳入考虑，提出改进的J-Qz-M三参数拘束理论。由于拘束是应力场的一种度量形式，其表征应力场的状态是否会导致韧性断裂。通过引入一个与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与断裂韧性之间存在线性回归关系的拘束参量。能够准确的描述面外拘束对裂纹尖端应力场的作用，很好地表征单边缺口拉伸试样三维裂纹尖端拘束度对断裂韧性的影响，通过拘束参量与断裂韧性之间的关系，建立实验室试样测得断裂韧性与工程实际中含裂纹结构件断裂韧性之间的关系，有效的将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来。
基于上述实施例，可选的，上述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及所述单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场、所述作用于韧带的全局弯矩M和所述线性化修正因子，计算得到拘束参量，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取硬化常数α，屈服强度σ0，屈服应变ε0，应变强化指数n，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r，取决于n的积分常量In，韧带长度b，特征长度L，有限元模型在裂纹前缘z方向的张开应力；
结合计算得到的作用于韧带的全局弯矩M，单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和线性化修正因子，计算得到拘束参量。
具体的，计算研究点处的拘束参量Qz的公式如下：
Figure BDA0002458845880000161
将通过所述有限元模型模拟以获取的数据，硬化常数α，屈服强度σ0，屈服应变ε0，应变强化指数n，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r，取决于n的积分常量In，韧带长度b，特征长度L，有限元模型在裂纹前缘z方向的张开应力
Figure BDA0002458845880000162
以及已计算得到的作用于韧带的全局弯矩M，单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场
Figure BDA0002458845880000163
和线性化修正因子C′，代入上述计算研究点处的拘束参量Qz的公式中，计算得到拘束参量Qz。
其中，特征长度L，通常取值为1；单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场
Figure BDA0002458845880000164
单位为MPa。
本发明实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，基于修正的J-Q双参数理论和J-Tz双参数理论，将全局弯曲应力和试样厚度对单边缺口拉伸试样裂纹尖端应力场的影响纳入考虑，提出改进的J-Qz-M三参数拘束理论。由于拘束是应力场的一种度量形式，其表征应力场的状态是否会导致韧性断裂。通过引入一个与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与断裂韧性之间存在线性回归关系的拘束参量。以及对单边缺口拉伸试样韧带的全局弯矩M和拘束参量Qz的计算，将试样宽度以及试样远端施加应力与拘束参量Qz紧密联系。能够准确的描述面外拘束对裂纹尖端应力场的作用，很好地表征单边缺口拉伸试样三维裂纹尖端拘束度对断裂韧性的影响，通过拘束参量与断裂韧性之间的关系，建立实验室试样测得断裂韧性与工程实际中含裂纹结构件断裂韧性之间的关系，有效的将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来。
下面结合具体实例对本发明技术方案做进一步详述，单边缺口拉伸试样本体的中部有贯穿试样宽度方向的缺口，缺口设有疲劳预制裂纹，缺口与预制裂纹在垂直于试样长度方向的同一平面上，采用夹持加载形式对单边缺口拉伸试样本体进行加载。
选取X80管线钢，以试样宽度W＝18mm，试样厚度B＝18mm，两夹持端部间的长度H＝180mm，裂纹深度a＝7.2mm，韧带长度b＝10.8mm的单边缺口拉伸试样作为研究对象，取载荷水平J＝600N/mm。主要材料属性如下：
弹性模量E＝207000，单位为GPa；屈服强度σ0＝640，单位为MPa；抗拉强度σb＝792，单位为MPa；泊松比v＝0.3，无量纲。
根据上述数据，建立有限元模型，设置边界条件，划分网格并进行有限元计算。在有限元分析软件的后处理模块中，提取对应于载荷水平J＝600N/mm，研究点位置r＝2J/σ0处，用于计算拘束参量Qz的相关参数值；
将获取的数值，代入下列计算公式计算拘束参量Qz：
Figure BDA0002458845880000171
Figure BDA0002458845880000172
Figure BDA0002458845880000173
Figure BDA0002458845880000174
M＝σ∞aW/2；
Figure BDA0002458845880000175
Figure BDA0002458845880000176
在上述条件下，计算得到拘束参量Qz＝-0.4237。
基于上述实施例，可选的，上述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，
所述通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性，具体包括：
将所述拘束参量代入有关于拘束参量的断裂韧性函数表达式，计算得到断裂韧性；
所述有关于拘束参量的断裂韧性函数表达式，通过获取相同裂纹深度、相同侧边槽形状但不同厚度的单边缺口拉伸试样的断裂韧性与拘束参量的数值，对所述断裂韧性与拘束参量的数值进行线性拟合得到。
具体的，图4为本发明实施例提供的在J＝600N/mm载荷水平下断裂韧性δIC与拘束参量Qz的关系图，如图4所示，以J＝600N/mm载荷水平为例，通过获取相同裂纹深度、相同侧边槽形状但不同厚度的单边缺口拉伸试样的断裂韧性δIC与拘束参量Qz的数值。
发现断裂韧性δIC与拘束参量Qz之间呈现明显的线性关系。即表明Qz拘束理论可以在一定范围内表征夹持加载单边缺口拉伸试样的面外拘束水平。
对断裂韧性δIC和拘束参量Qz进行线性拟合，得到关于拘束参量Qz的断裂韧性δIC函数表达式，如下：
δIC＝2.577+2.394Qz；
上述拘束参量Qz的断裂韧性δIC函数表达式，应用于-0.7300≤Qz≤-0.6152的情况，可以对相同裂纹深度比(a/W＝0.4)和侧边槽形状，不同厚度的工程实际中待测含裂纹结构件的断裂韧性δIC进行预测。
其中，a为裂纹深度，W为试样宽度。
需要说明的是，关于拘束参量Qz的断裂韧性δIC函数表达式会因为裂纹深度比以及侧边槽的情况不同而发生改变。在单边缺口拉伸试样裂纹深度比和侧边槽形状固定的条件下，具体的关于拘束参量Qz的断裂韧性δIC函数表达式，可根据上述条件下获取的不同厚度的单边缺口拉伸试样的拘束参量Qz的断裂韧性δIC函数数据，进行线性拟合得到，本实施例对此不做限定。
本发明实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，基于修正的J-Q双参数理论和J-Tz双参数理论，将全局弯曲应力和试样厚度对单边缺口拉伸试样裂纹尖端应力场的影响纳入考虑，提出改进的J-Qz-M三参数拘束理论。由于拘束是应力场的一种度量形式，其表征应力场的状态是否会导致韧性断裂。通过引入一个与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与断裂韧性之间存在线性回归关系的拘束参量。能够准确的描述面外拘束对裂纹尖端应力场的作用，很好地表征单边缺口拉伸试样三维裂纹尖端拘束度对断裂韧性的影响，通过对大量的拘束参量Qz和断裂韧性δIC数据进行线性化拟合，得到一条件下具体的关于拘束参量Qz的断裂韧性δIC函数表达式，通过拘束参量与断裂韧性之间的关系，建立实验室试样测得断裂韧性与工程实际中含裂纹结构件断裂韧性之间的关系，有效的将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来。
图5为本发明实施例提供的含裂纹结构件的断裂韧性计算系统结构示意图，如图5所示，含裂纹结构件的断裂韧性计算系统，包括：
模型设置模块510，用于在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
数据提取模块520，与模型构建模块510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；
参量计算模块530，与数据提取模块520相连，用于通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；
数据分析模块540，与参量计算模块530相连，用于通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性。
具体的，模型设置模块510，用于通过有限元分析软件的材料属性模块，在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系，并通过有限元分析的软件载荷模块设置单边缺口拉伸试样的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；所述单边缺口拉伸试样的有限元模型为根据工程实际中待测含裂纹结构件建立的。
数据提取模块520，与模型构建模块510相连，用于对所述有限元模型划分网格，通过有限元分析软件的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的处理模块在所述有限元计算后提取数据；所述输出参量选择J积分，单位为N/mm，所述J积分用于表示裂纹扩展驱动力。
参量计算模块530，与数据提取模块520相连，用于通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；
数据分析模块540，与参量计算模块530相连，用于通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述工程实际中待测含裂纹结构件的断裂韧性。
本实施例提供的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，多应用于计算含裂纹管道的断裂韧性。
在上述实施例的基础上，在预先建立的单边缺口拉伸试样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之前，还包括通过有限元分析软件构建所述单边缺口拉伸试样的有限元模型；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。
发明实施例提供的含裂纹结构件的断裂韧性计算系统用于执行上述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，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含裂纹结构件的断裂韧性计算系统，基于拘束是应力场的一种度量形式，其表征应力场的状态是否会导致韧性断裂。通过引入一个与载荷和路径无关、对单边缺口拉伸试样的厚度变化很敏感并与断裂韧性之间存在线性回归关系的拘束参量。能够准确的描述面外拘束对裂纹尖端应力场的作用，很好地表征单边缺口拉伸试样三维裂纹尖端拘束度对断裂韧性的影响，通过拘束参量与断裂韧性之间的关系，建立实验室试样测得断裂韧性与工程实际中含裂纹结构件断裂韧性之间的关系，有效的将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来。
图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图，如图6所示，所述电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行上述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法的各个步骤。例如：在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；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，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性。
此外，上述的存储器630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含裂纹结构件的断裂韧性计算方法。例如包括：在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；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，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性。
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 (11)

1.一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，包括：
在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；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，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；
通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性。
2.根据权利要求1所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
所述单边缺口拉伸试样采用夹持加载形式对单边缺口拉伸试样本体进行加载，所述单边缺口拉伸试样本体的中部有贯穿试样宽度方向的缺口，所述缺口设有疲劳预制裂纹，所述缺口与所述疲劳预制裂纹在垂直于试样长度方向的同一平面上。
3.根据权利要求1所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量，具体包括：
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场和作用于韧带的全局弯矩M；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和所述作用于韧带的全局弯矩M，计算得到线性化修正因子；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及所述单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场、所述作用于韧带的全局弯矩M和所述线性化修正因子，计算得到拘束参量。
4.根据权利要求3所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的正应力，硬化常数α，屈服强度σ0，屈服应变ε0，应变强化指数n，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r，裂纹尖端角度θ，取决于应变强化指数n的积分常量In；
结合与裂纹尖端角度θ和应变强化指数n有关的无量应力函数，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场。
5.根据权利要求3所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到作用于韧带的全局弯矩M，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取裂纹深度a，试样宽度W，远端施加应力σ∞，计算得到作用于韧带的全局弯矩M。
6.根据权利要求3所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和所述作用于韧带的全局弯矩M，计算得到线性化修正因子，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取韧带长度b，研究区域内的两点到裂纹前沿研究点的间距r1和r2，分别对应于r1和r2的张开应力
Figure FDA0002458845870000031
和
Figure FDA0002458845870000032
结合已计算得到的作用于韧带的全局弯矩M，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场，计算得到线性化修正因子。
7.根据权利要求3所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及所述单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场、所述作用于韧带的全局弯矩M和所述线性化修正因子，计算得到拘束参量，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取硬化常数α，屈服强度σ0，屈服应变ε0，应变强化指数n，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r，取决于n的积分常量In，韧带长度b，特征长度L，有限元模型在裂纹前缘z方向的张开应力；
结合计算得到的作用于韧带的全局弯矩M，单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和线性化修正因子，计算得到拘束参量。
8.根据权利要求1所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
所述通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性，具体包括：
将所述拘束参量代入有关于拘束参量的断裂韧性函数表达式，计算得到断裂韧性；
所述有关于拘束参量的断裂韧性函数表达式，通过获取相同裂纹深度、相同侧边槽形状但不同厚度的单边缺口拉伸试样的断裂韧性与拘束参量的数值，对所述断裂韧性与拘束参量的数值进行线性拟合得到。
9.一种含裂纹结构件的断裂韧性计算系统，其特征在于，包括：
模型设置模块，用于在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
数据提取模块，与模型构建模块相连，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；
参量计算模块，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，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；
数据分析模块，与参量计算模块相连，用于通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性。
10.一种电子设备，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8任一项所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法的步骤。
11.一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8任一项所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法的步骤。
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