CN112098208A - 一种弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明在于公开一种弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析确定方法，通过对高韧性材料在断裂韧性试验中的钝化过程进行数值模拟研究，有效解决钝化阶段试验数据拟合难以获取钝化线和规范中钝化线方程不适用性问题，能够获得更加符合材料性能特征且准确有效的钝化线方程；基于裂纹尖端钝化的物理过程建立符合实际的有限元模型，采用有限元方法进行试样裂纹钝化过程的数值模拟，分析确定材料钝化过程中的钝化线方程，能够为最终确定高韧性材料的J‑R阻力曲线和断裂起裂J积分测试的技术方案提供理论支撑，通过有限元分析获得的钝化线方程的结果精度较高，与材料的钝化过程吻合较好，针对不同材料和不同几何开展验证分析，具有较好的可重复性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种钝化线方程分析方法，特别涉及一种弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法。
背景技术
钝化线斜率是材料断裂韧性试验数据有效性判定的关键影响因素，传统的试验数据拟合方法受到测试精度影响非常明显，具有一定局限性。
在核电、石油化工、船舶等领域，高韧性金属材料应用非常广泛，基于材料良好的断裂韧性的弹塑性断裂力学分析评估方法正逐步发展。材料的弹塑性断裂韧性J-R阻力曲线和临界起裂值JIC是表征材料抵抗弹塑性断裂的主要参数。
延性金属材料断裂韧性过程中，裂纹尖端在起裂前首先出现钝化，钝化过程会对试验产生明显影响。为了消除钝化过程对判断断裂韧性参数的影响，引入钝化线方程来对无效数据进行排除。钝化线方程是用来描述试样在裂纹钝化过程中J积分与伸张区宽度之间的关系的方程。钝化过程的结束是稳定断裂的开始，钝化线方程既是有效数据的筛选线，又是确定临界值的构造线，是确定临界起裂值的关键参数，是断裂韧性测试过程中最关键的判据。
目前，主流的测试规范包括国际标准ISO 12135、美标ASTM E1820和国标GB/T21143等，其中国标是对标ISO 12135标准的2002版制定的，ISO标准和ASTM标准中对材料钝化线的规定也不尽一致，对于锻造奥氏体不锈钢材料等具有屈强比低、韧性好和硬化能力强等方面的优良性能，在试验过程中发现试样裂纹尖端严重钝化对试验造成明显影响。这一影响主要体现在钝化线方程斜率与材料实际钝化过程严重不符，这个给材料J-R阻力曲线测试过程带来困难，造成有效数据的筛选不准确和起裂临界值JIC偏大等问题。
目前，通常采用的钝化线修正方法多基于经验值或者分析法估算，缺乏充足的理论依据和试验论证，与材料本身钝化行为特征存在差异。
因此，特别需要一种弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法，以解决上述现有存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析确定方法，针对现有技术的不足，基于弹塑性断裂力学理论，采用有限元分析方法，能够准确反应材料的钝化特征，适用于确定不同性能材料的钝化线方程。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)材料性能本构关系确定：获得材料的真应力应变性能曲线，作为建立有限元模型进行分析计算的材料输入；
(2)有限元模型建立：基于开展断裂韧性测试的标准试样的几何结构建立标准断裂韧性试样断裂力学模型；
(3)裂纹尖端有限元分析网格设计：有限元分析是基于材料真应力应变曲线性能的弹塑性断裂力学分析，需要进行合理准确的断裂力学有限元网格设计，确保结算能够实现裂纹尖端钝化过程的准确模拟；
(4)试验加载过程数值模拟分析及验证：模拟试验加载过程采用分析刚体和接触分析等分析模拟功能，通过合理参数设定，实现对试样准静态加载试验过程的分析模拟；将有限元分析模拟分析确定的加载过程载荷-位移曲线与实际加载的载荷位移曲线进行对比验证，如果偏差在10％以内，则认为分析有效，否则需要返回步骤(1)进行进一步的调整。
(5)特征参数J积分的计算：对于二维有限元分析模型，有限元分析计算软件能够直接输出J积分的计算结果；对于三维有限元分析模型，结合三维试样的应力场分布特点，厚度方向进行均匀网格分布设计或者按照应力梯度进行网格按照由密向疏的方式进行网格划分；对应的，在三维有限元分析模型，可采用厚度方向上整体平均或按照如下计算式进行加权平均的方式进行处理，
(6)钝化过程等效裂纹扩展量的计算：采用结合裂纹尖段附近位移场计算结果几何投影的方法确定钝化区等效裂纹长度计算方法，依据裂纹尖端附近区域节点位移场，采用解析几何方法计算等效裂纹长度；
(7)钝化线方程的拟合：结合步骤(5)中裂纹前沿J积分计算结果和步骤(6)节中钝化过程等效裂纹扩展量计算结果，计算获得钝化过程J-△a计算结果，对结果数据采用基于最小二乘法线性回归分析对计算结果进行拟合，即可依据二者计算结果拟合获得如下的材料的钝化线方程，J＝K·△a。
本发明的弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法，与现有技术相比，本发明通过对高韧性材料在断裂韧性试验中的钝化过程进行数值模拟研究，有效解决钝化阶段试验数据拟合难以获取钝化线和规范中钝化线方程不适用性问题，能够获得更加符合材料性能特征且准确有效的钝化线方程。
本发明基于裂纹尖端钝化的物理过程建立符合实际的有限元模型，采用有限元方法进行试样裂纹钝化过程的数值模拟，分析确定材料钝化过程中的钝化线方程，能够为最终确定高韧性材料的J-R阻力曲线和断裂起裂J积分测试的技术方案提供理论支撑，通过有限元分析获得的钝化线方程的结果精度较高，与材料的钝化过程吻合较好，针对不同材料和不同几何开展验证分析，具有较好的可重复性和可靠性，实现本发明的目的。
本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。
附图说明
图1为本发明的弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法的流程示意图；
图2为本发明的性测试中钝化线及其构建的数据有效区的示意图；
图3为本发明的使用的断裂分析的二维有限元分析模型的示意图；
图4为本发明的使用的断裂分析的三维有限元分析模型的示意图；
图5为本发明的裂纹尖端钝化扩展及计算方法的示意图；
图6为本发明的裂纹尖端钝化阶段钝化线斜率拟合的示意图；
图7为本发明的钝化线分析结果验证的示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例
本发明的弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法的关键技术包括以下方面：
(1)材料钝化过程的数值模拟：如果采用均匀化网格，则会导致无法准确计算由于应力应变梯度导致的参数变化，进而影响基于应力强度获得的J积分计算结果。基于三维试样的应力场分布特点，将试样的网格沿厚度方向进行按照从自由表面到试样中间面按照由密向疏的方式进行网格划分设计。具体网格划分方案如图3所示，对于侧槽结构，为了保证裂纹前沿由规则的围线区域进行J积分计算，其将裂纹尖端网格直接沿侧槽方向进行映射获得规则裂尖网格。
(2)材料钝化线方程的有限元分析确定方法：在断裂力学分析计算过程中，裂尖钝化会使得裂纹前端出现等效扩展，如果在计算过程中能够获得J积分计算同步的钝化等效裂纹长度，则可实现钝化线方程的有限元计算。本发明采用有限元技术，基于合理的J积分计算和裂纹尖端等效裂纹长度计算结果，创新地提出钝化线方程的有限元分析方法。
(3)材料钝化阶段等效裂纹扩展量位移场计算：有限元钝化线方程计算的关键是确定准确的等效裂纹扩展量。本发明的基于裂纹尖端附近位移场进行推算技术，实现了等效裂纹扩展量的的准确计算，并采用断口扫描和试验测定等方法进行了验证，验证结果表明本发明技术方法准确有效。
如图1至图7所示，本发明的弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法，包括如下步骤：
(1)材料性能本构关系确定：开展材料真应力应变曲线测试，通过开展对应环境条件下单轴拉伸测试，获得材料的真应力应变性能曲线，作为建立有限元模型进行分析计算的的材料输入；
(2)有限元模型建立：基于开展断裂韧性测试的标准试样的几何结构建立标准断裂韧性试样断裂力学模型，其中标准试样包括但不限于紧凑拉伸CT试样和单边缺口弯曲SENB试样的不同标准试样结构，断裂力学模型包括但不限于模拟试样精细结构的三维有限元模型、依据试样特征确定的平面应变模型、平面应力模型或者平面应变与平面应力组合模型；
(3)裂纹尖端有限元分析网格设计：有限元分析是基于材料真应力应变曲线性能的弹塑性断裂力学分析，为了计算裂纹尖端附近区域J积分，需要对试验裂纹缺陷进行裂尖网格设计；采用二维有限元分析时裂纹尖端应该采用加密的蛛网状设计，裂纹尖端采用四边形退化为裂尖共节点的三角形单元的设计，如图3所示；采三维分析采用三维实体单元进行分析，在裂纹尖端采用六面体单元退化为三棱柱单元的设计；
(4)试验加载过程数值模拟分析及验证：模拟试验加载过程采用分析刚体和接触分析等分析模拟功能，通过合理参数设定，实现对试样准静态加载试验过程的分析模拟。将有限元分析模拟分析确定的加载过程载荷-位移曲线与实际加载的载荷位移曲线进行对比验证，如果偏差在10％以内，则认为分析有效，否则需要对材料输入、边界条件和计算方法进行进一步的调整；
(5)特征参数J积分的计算：对于二维有限元分析模型，有限元分析计算软件能够直接输出J积分的计算结果；对于三维有限元分析模型，结合三维试样的应力场分布特点，厚度方向进行均匀网格分布设计或者按照应力梯度进行网格按照由密向疏的方式进行网格划分，其中一种网格划分具体方案如图4所示，对于侧槽结构，为了保证裂纹前沿由规则的围线区域进行J积分计算，需要在建模过程中考虑其真实结构；在三维有限元分析模型结果提取时，对应其网格结构设计可采用厚度方向上整体平均或按照如下计算式进行加权平均的方式进行处理。
(6)钝化过程等效裂纹扩展量的计算：由于目前商用软件不提供材料虚拟扩展量的直接提取手段，本发明提出采用结合裂纹尖段附近位移场计算结果几何投影的方法确定钝化区等效裂纹长度计算方法；本发明的依据裂纹尖端附近区域节点位移场计算等效裂纹长度的方法，具体如下：
1)如图4所示，确定加载前裂纹尖端节点C、塑性区以外节点A和B，发生钝化后节点几何位置对应为C’，A’和B’，采用解析几何方法，确定钝化前后试样裂纹面投影长度之差，最终确定等效裂纹扩展量；
2)计算直线A’B’斜率。设C点为坐标原点，点A坐标为(XA,0)，点B坐标为(XB，0),发生形变后，位移场计算结果输出x方向位移增量U1，y方向位移增量U2，故C’点坐标(CU1,0)，A’坐标(XA+AU1,AU2)，B’坐标(XB+BU1，BU2)，直线斜率为：
3)计算过裂纹尖端C’点的直线A’B’平行线l的方程：
y＝K(x-CU1)
即Kx-y-KCU1＝0；
4)计算直线A’B’与l之间的距离h和B’C’的长度s：
5)计算裂纹投影长度：
6)计算钝化等效扩展量：
ΔaB＝L'-L；
(7)钝化线方程的拟合：结合步骤(6)中裂纹前沿J积分计算结果和步骤(7)中钝化过程等效裂纹扩展量计算结果，计算获得如图6所示的钝化过程J-△a计算结果，对结果数据采用基于最小二乘法线性回归分析对计算结果进行拟合，即可依据二者计算结果拟合获得如下的材料的钝化线方程：J＝K·△a。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)材料性能本构关系确定：获得材料的真应力应变性能曲线，作为建立有限元模型进行分析计算的材料输入；
(2)有限元模型建立：基于开展断裂韧性测试的标准试样的几何结构建立标准断裂韧性试样断裂力学模型；
(3)裂纹尖端有限元分析网格设计：有限元分析是基于材料真应力应变曲线性能的弹塑性断裂力学分析，需要进行合理准确的断裂力学有限元网格设计，确保结算能够实现裂纹尖端钝化过程的准确模拟；
(4)试验加载过程数值模拟分析及验证：模拟试验加载过程采用分析刚体和接触分析等分析模拟功能，通过合理参数设定，实现对试样准静态加载试验过程的分析模拟；将有限元分析模拟分析确定的加载过程载荷-位移曲线与实际加载的载荷位移曲线进行对比验证，如果偏差在10％以内，则认为分析有效，否则需要返回步骤(1)进行进一步的调整。
(5)特征参数J积分的计算：对于二维有限元分析模型，有限元分析计算软件能够直接输出J积分的计算结果；对于三维有限元分析模型，结合三维试样的应力场分布特点，将试样的网格沿厚度方向进行均匀网格分布设计或者按照应力梯度进行网格由密向疏的方式进行网格划分，对应的，在三维有限元分析模型结果提取计算中，可采用厚度方向上整体平均或按照如下计算式进行加权平均的方式进行处理，
(6)钝化过程等效裂纹扩展量的计算：采用结合裂纹尖段附近位移场计算结果几何投影的方法确定钝化区等效裂纹长度计算方法，依据裂纹尖端附近区域节点位移场，采用解析几何方法计算等效裂纹长度；
(7)钝化线方程的拟合：结合步骤(5)中裂纹前沿J积分计算结果和步骤(6)节中钝化过程等效裂纹扩展量计算结果，计算获得钝化过程J-△a计算结果，对结果数据采用基于最小二乘法线性回归分析对计算结果进行拟合，即可依据二者计算结果拟合获得如下的材料的钝化线方程，J＝K·△a。
2.如权利要求1所述的弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法，其特征在于，步骤(2)中，标准试样有限元模型依据试验实际试验结构特征参数确定，包括但不限于紧凑拉伸CT试样和单边缺口弯曲SENB试样的不同标准试样结构。
3.如权利要求1所述的弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法，其特征在于，步骤(2)中，标准断裂韧性试样有限元模型包括但不限于模拟试样精细结构的三维有限元模型、依据试样特征确定的平面应变模型、平面应力模型或者平面应变与平面应力组合模型。
4.如权利要求1所述的弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法，其特征在于，步骤(3)中，采用二维有限元分析时，裂纹尖端应该采用加密的蛛网状设计，裂纹尖端应该采用四边形退化为裂尖的三角形的单元设计；采用三维有限元分析时，采用三维实体单元进行分析，在裂纹尖端采用六面体单元退化为三棱柱单元的设计。
5.如权利要求1所述的弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法，其特征在于，步骤(5)中，J积分的计算方法包括但不限于对于厚度方向均匀划分网格的模型，采用整体平均方法计算J积分，对于厚度方面有密度偏移设计网格模型采用加权平均的方法计算J积分。
6.如权利要求1所述的弹塑性断裂韧性试验钝化线方程分析方法，其特征在于，步骤(6)中，依据裂纹尖端附近区域节点位移场计算的方法获取等效裂纹长度，其中的一种方法如下：
1)确定加载前裂纹尖端节点C、塑性区以外节点A和B，发生钝化后节点几何位置对应为C’、A’和B’，采用解析几何方法，确定钝化前后试样裂纹面投影长度之差，最终确定等效裂纹扩展量；
2)计算直线A’B’斜率，设C点为坐标原点，A点坐标为(XA,0)，B点坐标为(XB，0),发生形变后，位移场计算结果输出x方向位移增量U1，y方向位移增量U2，故C’点坐标(CU1,0)，A’坐标(XA+AU1,AU2)，B’坐标(XB+BU1，BU2)，直线斜率为：
3)计算过裂纹尖端C’点的直线A’B’平行线l的方程：
y＝K(x-CU1)，即Kx-y-KCU1＝0；
4)计算直线A’B’与l之间的距离h和B’C’的长度s：
5)计算裂纹投影长度：
6)计算钝化等效扩展量：ΔaB＝L'-L。
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| 张旭;窦一康;梁兵兵;: "核电厂主蒸汽管道材料断裂韧性试验三维数值模拟研究", 动力工程学报, no. 01 * |
| 潘科琪 等: "韧性材料裂纹尖端钝化理论和仿真研究", 《核动力工程》, vol. 36, no. 5 * |
| 王俊,刘瑞堂,杨卓青,王玉玲: "对J积分测试方法中几个问题的讨论", 机械强度, no. 06 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113297692A (zh) * | 2021-05-14 | 2021-08-24 | 合肥工业大学 | 一种断裂韧性转换模型的建立方法 |
| CN113297692B (zh) * | 2021-05-14 | 2022-09-23 | 合肥工业大学 | 一种断裂韧性转换模型的建立方法 |
| CN115374719A (zh) * | 2022-04-11 | 2022-11-22 | 中国人民解放军空军工程大学 | 基于流固耦合的固体火箭发动机药柱裂纹稳定性分析方法 |
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