CN114282411B - 一种用于含裂纹焊接构件的蠕变寿命预测方法 - Google Patents

一种用于含裂纹焊接构件的蠕变寿命预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于含裂纹焊接构件的蠕变寿命预测方法，属于含裂纹焊接构件蠕变寿命预测技术领域，包括以下步骤：构建幂律关系模型，幂律关系模型用于表示蠕变裂纹扩展速率和材料拘束参量的归一化关系；通过有限元方法，获取焊接接头在不匹配情况下的第一蠕变裂纹扩展速率，以及均质材料试样的第二蠕变裂纹扩展速率；通过有限元方法，计算不匹配焊接接头在任意载荷下的载荷无关静水压拘束参量；基于第一蠕变裂纹扩展速率、第二蠕变裂纹扩展速率、载荷无关静水压拘束参量，通过非线性拟合的方法，构建幂律关系模型，用于预测含裂纹焊接构件的蠕变寿命；本发明可用于预测焊接接头的蠕变裂纹扩展剩余寿命，为含裂纹焊接构件蠕变寿命的预测技术提供了技术参考。

Description

一种用于含裂纹焊接构件的蠕变寿命预测方法
技术领域
本申请涉及含裂纹焊接构件蠕变寿命预测技术领域，具体而言，涉及一种用于含裂纹焊接构件的蠕变寿命预测方法。
背景技术
随着对能源的需求不断增加，越来越多的核电厂在超过600℃和25MPa的极端情况下运行。然而，大多数通过焊接制造的高温部件，如蒸汽管道、再热器和过热器，极容易受到蠕变损伤。一般来说，焊接接头的母材和焊缝金属有着不同的蠕变性能，这意味着焊接接头中通常存在蠕变性能不匹配。此外，焊接接头易出现局部冶金导致的裂纹或裂纹状缺陷，这些缺陷通常成为蠕变裂纹萌生点。近年来，高温焊接构件的蠕变裂纹扩展行为越来越受到人们的重视。一般来说，焊接接头中不同的蠕变性能将在相同时间内积累不同的蠕变应变(蠕变损伤)，导致焊接接头中复杂的应力应变分布。因此，焊接接头通常被认为是高温下结构最薄弱的环节。了解焊接接头的蠕变扩展行为对评估蠕变剩余寿命，确保焊接部件的安全有着极为重要的意义。
在传统的构件安全性设计中，往往将焊接接头等效为由母材、焊缝和热影响区中最弱的材料组成，但基于此法进行结构完整性评定往往得到过大的保守性，即低估零件的剩余寿命，导致提前报废。有学者已经对焊接接头界面裂纹的蠕变裂纹扩展速率进行了研究。他们建议将蠕变裂纹扩展速率与约束参数Ac关联起来，约束参数Ac定义为被评估部件中等效蠕变应变包围的面积与标准参考样品中等效蠕变应变包围的面积之比。然而，对于焊缝中心裂纹，等值线可能会穿过母材-焊缝界面，在焊缝宽度较窄时，面积便难以计算。为了在工程应用中快速获得焊接接头焊缝中心裂纹蠕变扩展速率，焊缝中心裂纹的蠕变扩展速率和焊接接头失配参数之间的关系亟需建立。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的提出一种绝缘纸红外光谱采集装置系统误差的处理方法，以解决通用型光谱仪在绝缘纸红外采集时的系统误差问题。
为了实现上述技术目的，本申请提供了一种用于含裂纹焊接构件的蠕变寿命预测方法，包括以下步骤：
构建幂律关系模型，幂律关系模型用于表示蠕变裂纹扩展速率和材料拘束参量的归一化关系；并根据所述幂律关系系数预测所述含裂纹焊接构件的所述蠕变寿命，其中，所述幂律关系系数的表达式为：
Figure BDA0003429951060000021
其中，φ表示幂律关系系数。
通过有限元方法，获取焊接接头在不匹配情况下的第一蠕变裂纹扩展速率，以及均质材料试样的第二蠕变裂纹扩展速率，其中，均质材料试样用于表示在含裂纹焊接构件中除去焊接接头的母材；
通过有限元方法，计算不匹配焊接接头在任意载荷下的载荷无关静水压拘束参量；
基于第一蠕变裂纹扩展速率、第二蠕变裂纹扩展速率、载荷无关静水压拘束参量，通过非线性拟合的方法，构建幂律关系模型，用于预测含裂纹焊接构件的蠕变寿命。
优选地，在获取第一蠕变裂纹扩展速率的过程中，第一蠕变裂纹扩展速率的表达式为：
Figure BDA0003429951060000031
其中，D0和q0表示均质材料情况下的蠕变裂纹扩展速率的第一系数，C*表示高温断裂参量。
优选地，在获取第二蠕变裂纹扩展速率的过程中，第二蠕变裂纹扩展速率的表达式为：
Figure BDA0003429951060000032
其中，D和q表示根据第一系数通过非线性回归得到的第二系数。
优选地，在获取载荷无关静水压拘束参量的过程中，载荷无关静水压拘束参量的表达式为：
Figure BDA0003429951060000033
其中，σ0表示屈服应力，
Figure BDA0003429951060000034
是屈服应力对应的蠕变应变速率，n表示无量纲的蠕变应力硬化指数，In表示与n有关的无量纲函数，L是特征长度，Qm表示不匹配焊接接头与均质材料裂纹尖端的静水压力差。
优选地，在获取载荷无关静水压拘束参量的过程中，特征长度为1mm。
优选地，在获取载荷无关静水压拘束参量的过程中，静水压力差的表达式为：
Figure BDA0003429951060000041
其中，σm表示静水压力：
Figure BDA0003429951060000042
σii(i＝1,2,3)，静水压力用于表示微小单元三个垂直方向的正应力，σm(r,0)表示不匹配焊接接头中裂纹尖端在距离r处的静水压力，/>
Figure BDA0003429951060000043
是均质材料状态下裂纹尖端在距离r处的静水压力，r表示裂纹前沿研究点到裂纹尖端的距离。
优选地，在获取载荷无关静水压拘束参量的过程中，r为0.2mm。
优选地，在获取第一蠕变裂纹扩展速率和第二蠕变裂纹扩展速率的过程中，母材和焊接接头的蠕变应力硬化指数相同或接近。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提出的考虑材料拘束的含裂纹焊接构件蠕变寿命预测方法，只要获得某种不匹配工况任意载荷下的材料拘束参量
Figure BDA0003429951060000044
以及拟合系数φ，就可以获得归一化的蠕变裂纹扩展速率。基于蠕变裂纹扩展速率和构件韧带长度，可用于预测焊接接头的蠕变裂纹扩展剩余寿命。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所述的采用CT试样的示意图；
图2为本发明实施例所述的CT试样在不同载荷和不匹配情况下的
Figure BDA0003429951060000051
值；
图3为本发明实施例所述的CT试样归一化的蠕变裂纹扩展速率
Figure BDA0003429951060000052
和/>
Figure BDA0003429951060000053
的拟合曲线；
图4位本发明所述的方法步骤示意图。
具体实施方式
下为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请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申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-4所示，本发明提供了一种用于含裂纹焊接构件的蠕变寿命预测方法，包括以下步骤：
构建幂律关系模型，幂律关系模型用于表示蠕变裂纹扩展速率和材料拘束参量的归一化关系；
所述幂律关系模型以及所述幂律关系系数可预测所述含裂纹焊接构件的所述蠕变寿命，其中，所述幂律关系系数的表达式为：
Figure BDA0003429951060000061
其中，φ表示幂律关系系数。
通过有限元方法，获取焊接接头在不匹配情况下的第一蠕变裂纹扩展速率，以及均质材料试样的第二蠕变裂纹扩展速率，其中，均质材料试样用于表示在含裂纹焊接构件中除去焊接接头的母材；
通过有限元方法，计算不匹配焊接接头在任意载荷下的载荷无关静水压拘束参量；
基于第一蠕变裂纹扩展速率、第二蠕变裂纹扩展速率、载荷无关静水压拘束参量，通过非线性拟合的方法，构建幂律关系模型，用于预测含裂纹焊接构件的蠕变寿命。
进一步优选地，在获取第一蠕变裂纹扩展速率的过程中，第一蠕变裂纹扩展速率的表达式为：
Figure BDA0003429951060000062
其中，D0和q0表示均质材料情况下的蠕变裂纹扩展速率的第一系数，C*表示高温断裂参量。
进一步优选地，在获取第二蠕变裂纹扩展速率的过程中，第二蠕变裂纹扩展速率的表达式为：
Figure BDA0003429951060000063
其中，D和q表示根据第一系数通过非线性回归得到的第二系数。
进一步优选地，在获取载荷无关静水压拘束参量的过程中，载荷无关静水压拘束参量用于表示材料拘束参量，载荷无关静水压拘束参量的表达式为：
Figure BDA0003429951060000071
其中，σ0表示屈服应力，
Figure BDA0003429951060000072
是屈服应力对应的蠕变应变速率，n表示无量纲的蠕变应力硬化指数，In表示与n有关的无量纲函数，L是特征长度，Qm表示不匹配焊接接头与均质材料裂纹尖端的静水压力差。
进一步优选地，在获取载荷无关静水压拘束参量的过程中，特征长度为1mm。
进一步优选地，在获取载荷无关静水压拘束参量的过程中，静水压力差的表达式为：
Figure BDA0003429951060000073
其中，σm表示静水压力：
Figure BDA0003429951060000074
σii(i＝1,2,3)，静水压力用于表示微小单元三个垂直方向的正应力，σm(r,0)表示不匹配焊接接头中裂纹尖端在距离r处的静水压力，/>
Figure BDA0003429951060000075
是均质材料状态下裂纹尖端在距离r处的静水压力，r表示裂纹前沿研究点到裂纹尖端的距离。
进一步优选地，在获取载荷无关静水压拘束参量的过程中，r为0.2mm。
进一步优选地，在获取第一蠕变裂纹扩展速率和第二蠕变裂纹扩展速率的过程中，母材和焊接接头的蠕变应力硬化指数相同或接近。
实施例1：本发明提出一种归一化的蠕变裂纹扩展速率和材料拘束参量的幂律关系：
Figure BDA0003429951060000081
其中，
Figure BDA0003429951060000082
是不匹配工况下的焊接接头中的蠕变裂纹扩展速率，单位是mm/h；/>
Figure BDA0003429951060000083
是均质材料试样中的蠕变裂纹扩展速率，单位是mm/h；φ是拟合系数，由焊接构件的不匹配工况、构件形式确定。
(2)通过试验或者有限元方法确定均质材料情况下的蠕变裂纹扩展速率
Figure BDA0003429951060000084
以及焊接接头各种不匹配情况下的蠕变裂纹扩展速率/>
Figure BDA0003429951060000085
Figure BDA0003429951060000086
Figure BDA0003429951060000087
其中，D和q是通过非线性回归得到的系数；D0和q0是均质材料情况下的蠕变裂纹扩展速率的系数。C*是高温断裂参量，单位是MPa.mm/h，可以通过计算载荷线位移或裂纹尖端张开位移得到。
(3)通过有限元方法，计算不匹配焊接接头在任意载荷下的载荷无关静水压拘束参量
Figure BDA0003429951060000088
Figure BDA0003429951060000089
其中σ0是屈服应力，单位是MPa；
Figure BDA00034299510600000810
是屈服应力对应的蠕变应变速率，单位是h-1；In是与n有关的无量纲函数，n是无量纲的蠕变应力硬化指数；L是特征长度，取1mm；
Qm是不匹配焊接接头与均质材料裂纹尖端的静水压力差，由下式获得：
Figure BDA0003429951060000091
其中，σm代表静水压力：
Figure BDA0003429951060000092
σii(i＝1,2,3)是微小单元三个垂直方向的正应力；σm(r,0)是不匹配焊接接头中裂纹尖端一定距离r处的静水压力，单位是MPa；
Figure BDA0003429951060000093
是均质材料状态下裂纹尖端一定距离r处的静水压力，单位是MPa；r是裂纹前沿研究点到裂纹尖端的距离，单位是mm，r取0.2mm(Burstow MC,Howard IC,AnisworthRA.The influence of constraint on crack tip stress fields in strengthmismatched welded joints.J Mech Phys Solids.1998；46(5):845-872)。
(4)根据非线性拟合的方法确定幂律关系系数φ；
Figure BDA0003429951060000094
母材和焊缝的蠕变应力硬化指数应该相等或接近。
需要根据实际工况建立含裂纹焊接构件，然后进行有限元仿真。
实施例2：本发明一种考虑材料拘束的含裂纹焊接构件蠕变寿命预测方法，主要包括以下步骤：
(1)提出一种归一化的蠕变裂纹扩展速率和材料拘束参量的幂律关系：
Figure BDA0003429951060000095
其中，
Figure BDA0003429951060000101
是不匹配工况下的焊接接头中的蠕变裂纹扩展速率，单位是mm/h；/>
Figure BDA0003429951060000102
是均质材料试样中的蠕变裂纹扩展速率，单位是mm/h；φ是拟合系数，由焊接构件的不匹配工况、构件形式确定。
(2)本实施例中采用有限元的方法获取均质材料和不匹配情况下的蠕变裂纹扩展速率，采用的模型如附图1所示，选用CT试样。建立含裂纹焊接构件的有限元模型CT试样，试样本体上有上下两个对称的加载销孔，缺口和预制裂纹位于试样中心，预制裂纹位于缺口尖端。利用销孔对裂纹尖端施加载荷，模拟高温蠕变实验。
首先把焊接接头等效为双材料模型，选取P92高温耐热钢作为裂尖参考材料，P92钢在650℃下的材料性能见下表1。
表1
屈服强度σ0 泊松比υ 蠕变系数A 蠕变硬化指数n 单轴蠕变延性εf
180MPa 0.3 3.77E-19 6.71 16％
为了获得焊接接头中不同的不匹配程度，可以变化母材的材料性能(M＝0.5～1.5)，同时变化焊缝的宽度(h＝0.4～1.6mm)。针对蠕变性能的不匹配因子M可参见文献：Xuan FZ,Tu ST,Wang ZD.C*estimation for cracks in mismatched welds and finiteelement validation.Int J Fracture.2004；126(3):267-280。
设置好载荷边界条件和材料性能参数后，最后进行均质材料和各种不匹配情况下的蠕变裂纹扩展有限元仿真，得到均质材料情况下的蠕变裂纹扩展速率
Figure BDA0003429951060000103
以及不匹配工况下的焊接接头的蠕变裂纹扩展速率/>
Figure BDA0003429951060000104
Figure BDA0003429951060000111
Figure BDA0003429951060000112
其中，D和q是通过非线性回归得到的系数，D0和q0是均质材料情况下的蠕变裂纹扩展速率系数。C*是高温断裂参量，单位是MPa.mm/h，通过计算载荷线位移或者裂纹尖端张开位移得到。通过以上两式可以得到归一化的蠕变裂纹扩展速率
Figure BDA0003429951060000113
(3)通过有限元方法，计算不匹配焊接接头在任意载荷下的载荷无关静水压拘束参量
Figure BDA0003429951060000114
Figure BDA0003429951060000115
其中σ0是屈服应力，单位是MPa；
Figure BDA0003429951060000116
是屈服应力对应的蠕变应变速率，单位是h-1；In是与n有关的无量纲函数，n是无量纲的蠕变应力硬化指数；L是特征长度，取1mm；
Qm是不匹配工况下与均质材料情况下裂纹尖端的静水压力差，由下式获得：
Figure BDA0003429951060000117
其中，σm代表裂纹尖端的静水压力：
Figure BDA0003429951060000118
σii(i＝1,2,3)是微小单元三个垂直方向的正应力；σm(r,0)是不匹配状态下裂纹尖端一定距离r处的静水压力，单位是MPa；/>
Figure BDA0003429951060000119
是均质材料状态下裂纹尖端一定距离r处的静水压力，单位是MPa；r是裂纹尖端到裂纹前沿研究点的距离，单位是mm，r取0.2mm(Burstow MC,Howard IC,AnisworthRA.The influence of constraint on crack tip stress fields in strengthmismatched welded joints.J Mech Phys Solids.1998；46(5):845-872.)。
本例中C*取1E-4MPa.mm/h，σ0取180MPa，In取4.8，
Figure BDA0003429951060000121
取5.12E-4h-1。焊接接头在各种不匹配工况下的/>
Figure BDA0003429951060000122
计算结果如附图2所示。由附图2可见，在不同的C*值下，一种特定的不匹配工况对应的/>
Figure BDA0003429951060000123
值是相同的。
(4)根据得到的归一化的蠕变裂纹扩展速率
Figure BDA0003429951060000124
和材料拘束参量/>
Figure BDA0003429951060000125
利用非线性拟合的方法确定幂律关系系数φ：
Figure BDA0003429951060000126
本实施例的拟合结果如附图3所示。由附图3可见，归一化的裂纹扩展速率
Figure BDA0003429951060000127
和/>
Figure BDA0003429951060000128
呈现出良好的幂律关系，拟合曲线为：
Figure BDA0003429951060000129
因此，本实施例中φ取4.789。
在实际工程应用中，某焊接接头构件在弯曲和拉伸应力状态下服役，和CT试样的几何拘束状态最为接近，则可以选取φ值为-4.789。经有限元计算，其材料拘束参量
Figure BDA00034299510600001210
为0.25，则归一化的蠕变裂纹扩展速率为3.97，即焊接接头中的蠕变裂纹扩展速率为均质结构下的3.97倍。可以根据剩余韧带长度，进而预测含裂纹焊接接头的蠕变剩余寿命，从而评估高温服役的焊接接头结构安全性。

Claims (4)

1.一种用于含裂纹焊接构件的蠕变寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建幂律关系模型，所述幂律关系模型用于表示蠕变裂纹扩展速率和材料拘束参量的归一化关系；
通过有限元方法，获取焊接接头在不匹配情况下的第一蠕变裂纹扩展速率，以及均质材料试样的第二蠕变裂纹扩展速率，其中，所述均质材料试样用于表示在所述含裂纹焊接构件中除去所述焊接接头的母材；
通过所述有限元方法，计算不匹配焊接接头在任意载荷下的载荷无关静水压拘束参量；
基于所述第一蠕变裂纹扩展速率、所述第二蠕变裂纹扩展速率、所述载荷无关静水压拘束参量，通过非线性拟合的方法，构建所述幂律关系模型，用于预测所述含裂纹焊接构件的蠕变寿命；
所述第一蠕变裂纹扩展速率的表达式为：
Figure FDA0004205189190000011
其中，D0和q0表示均质材料情况下的蠕变裂纹扩展速率的第一系数，C*表示高温断裂参量；
所述第二蠕变裂纹扩展速率的表达式为：
Figure FDA0004205189190000012
其中，D和q表示根据所述第一系数通过非线性回归得到的第二系数；
所述载荷无关静水压拘束参量用于表示所述材料拘束参量，所述载荷无关静水压拘束参量的表达式为：
Figure FDA0004205189190000021
其中，σ0表示屈服应力，
Figure FDA0004205189190000022
是屈服应力对应的蠕变应变速率，n表示无量纲的蠕变应力硬化指数，In表示与n有关的无量纲函数，L是特征长度，Qm表示不匹配焊接接头与均质材料裂纹尖端的静水压力差；
所述静水压力差的表达式为：
Figure FDA0004205189190000023
其中，σm表示静水压力：
Figure FDA0004205189190000024
所述静水压力用于表示微小单元三个垂直方向的正应力，σm(r,0)表示不匹配焊接接头中裂纹尖端在距离r处的静水压力，/>
Figure FDA0004205189190000025
是均质材料状态下裂纹尖端在距离r处的静水压力，r表示裂纹前沿研究点到裂纹尖端的距离；
所述幂律关系模型用于获取幂律关系系数，并根据所述幂律关系系数预测所述含裂纹焊接构件的所述蠕变寿命，其中，所述幂律关系系数的表达式为：
Figure FDA0004205189190000026
其中，
Figure FDA0004205189190000027
表示幂律关系系数。
2.根据权利要求1所述一种用于含裂纹焊接构件的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
在获取载荷无关静水压拘束参量的过程中，所述特征长度为1mm。
3.根据权利要求2所述一种用于含裂纹焊接构件的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
在获取载荷无关静水压拘束参量的过程中，r＝0.2mm。
4.根据权利要求3所述一种用于含裂纹焊接构件的蠕变寿命预测方法，其特征在于：
在获取所述第一蠕变裂纹扩展速率和所述第二蠕变裂纹扩展速率的过程中，所述母材和所述焊接接头的蠕变应力硬化指数相同或接近。
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