[发明专利]面内及面外统一拘束与材料延性断裂韧性关系的确定方法

说明书

技术领域

本发明属于结构完整性评定技术领域，具体涉及一种面内及面外统一拘束与材料延性断裂韧性关系的确定方法，通过该方法可获得准确的拘束相关的材料延性断裂韧性，为建立纳入拘束效应的结构完整性评价方法提供技术基础。

背景技术

在目前的结构完整性评定中，一般用深裂纹高拘束的标准试样测得的材料断裂韧性下限值对实际结构的安全性进行评定。然而，大量实验和研究表明，材料的断裂韧性（包括延性和脆性断裂韧性）受试样/结构几何、裂纹尺寸和加载方式等因素的影响，这种影响通常被称为“拘束效应”。拘束的增加导致材料断裂韧性的降低。在实际压力容器、管线等结构中，缺陷一般为低拘束的表面浅裂纹，如用高拘束试样测得的断裂韧性下限值评定实际结构中低拘束的裂纹，将产生过于保守的结果；反之，用其评定实际结构中个别拘束很高的裂纹，可能产生非保守的结果。因此，实验室试样与实际结构拘束的匹配是保证结构完整性评定准确性的关键。为此,需要考虑试样/结构几何、裂纹尺寸和加载方式等因素对材料断裂韧性的影响，建立拘束与材料断裂韧性的关系，并将其纳入结构完整性评定中。

拘束一般分为面内拘束和面外拘束，面内拘束受裂纹扩展方向上试样/结构尺寸（如未开裂韧带长度）的影响；面外拘束则受与裂纹前沿相平行的方向上试样/结构尺寸（如试样厚度）的影响。为建立纳入拘束效应的结构完整性评定方法，首先需要对拘束进行定量化表征。目前，国内外发展出的可以定量化表征拘束的参数主要有T应力参数、Q参数和A₂参数等，并通过大量不同拘束试样的断裂韧性试验建立拘束与材料断裂韧性的关联。然而，T、Q和A₂等参数均是基于二维平面应变裂尖应力场的数学解析解建立起来的，其主要表征的是面内拘束，无法准确表征面外拘束。且这些参数在实际应用中也有诸多局限，如T应力参数是一个弹性参数，不能用于裂尖塑性区扩展的情况；Q是一个弹塑性拘束参数，但与载荷和裂尖距离相关，不能用于裂尖大范围屈服和弯曲加载的情况；A₂参数仅适合于幂律本构材料，且其计算过程比较复杂。也即是说，目前基于这些参数建立的拘束与材料断裂韧性的关系及应用，一方面未有效纳入面外拘束的影响；另一方面，基于不同拘束试样的断裂韧性试验建立拘束与断裂韧性关系的方法，成本高且复杂。

发明内容

针对上述拘束参数的局限性及建立拘束与材料断裂韧性关系的高成本和复杂性，本发明提出一种面内及面外统一拘束与材料延性断裂韧性关系的确定方法，通过统一拘束参数同时表征面内及面外拘束，并且采用基于有限元计算的简便方法建立统一拘束参数与材料延性断裂韧性的关系。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种面内及面外统一拘束与材料延性断裂韧性关系的确定方法，该方法包括如下步骤：

（1）选取待测材料的标准试样，通过试验测得该标准试样的J-R曲线，根据该J-R曲线获得标准试样的延性断裂韧性作为参考延性断裂韧性J_ref；

对标准试样建立有限元模型，将待测材料的真应力-真应变曲线、弹性模量E、泊松比ν以及GTN模型参数输入标准试样的有限元模型，通过有限元计算获得标准试样的J-R曲线；

调整GTN模型参数，重复上述计算过程，直至计算得到的J-R曲线与试验测得的J-R曲线基本重合，此时对应的GTN模型参数，即为标定后的GTN模型参数；

（2）选取待测材料的不同面内及面外拘束试样，对不同面内及面外拘束试样建立有限元模型，将待测材料的真应力-真应变曲线、弹性模量E、泊松比ν以及标定后的GTN模型参数输入不同面内及面外拘束试样的有限元模型，通过有限元计算获得不同面内及面外拘束试样的J-R曲线，根据该J-R曲线获得不同面内及面外拘束试样的延性断裂韧性J_IC；

（3）计算标准试样在其延性断裂韧性J_ref对应的载荷条件下的裂纹尖端的等效塑性应变PEEQ=x的等值回路曲线所围区域的面积作为参考面积A_ref；

计算不同面内及面外拘束试样在其延性断裂韧性J_IC对应的载荷条件下的裂纹尖端的等效塑性应变PEEQ=x的等值回路曲线所围区域的面积A_PEEQ；

计算不同面内及面外拘束试样的统一拘束参数A_p=A_PEEQ/A_ref；