[发明专利]一种考虑动态损伤演化的气体爆炸下管道动态断裂预测方法

说明书

本发明公开一种考虑动态损伤演化的气体爆炸下管道动态断裂预测方法，该方法具体包括如下步骤：建立管道的有限元模型，定义管道材料热黏塑性本构模型，定义管道材料的计及应变率影响的损伤演化模型，定义在管道内表面施加的气体爆炸载荷，并完成气体爆炸载荷的加载；定义并施加管道的边界条件，求解计算管道有限元模型，对管道的动态断裂过程进行仿真。本发明的断裂预测方法考虑了高应变率下材料的损伤演化，且损伤演化率同时依赖应变与应变率，可更为准确地预测内爆炸下管道动态断裂过程；且相比于流固耦合模拟，本发明中气体爆炸载荷通过用户自定义函数作为压力边界条件施加，无需模拟气体爆炸过程，计算效率高。

技术领域

本发明涉及气体爆炸下管道动态断裂的预测，尤其涉及一种考虑动态损伤演化的气体爆炸下管道动态断裂预测方法。

背景技术

气体爆炸下管道动态断裂是一典型的多学科交叉融合问题，同时涉及了结构力学、流体力学、断裂力学和化学反应动力学。且爆炸冲击波与管道间存在强烈的非线性流固耦合作用：爆炸超压促使管道变形进而断裂，变形后的管道及其破口反之制约爆炸流场的发展。这使得准确预测气体爆炸下管道动态断裂成为国际上最具挑战性的工作之一。

目前管道动态断裂预测主要借助有限元方法，而有限元模型所采用的本构模型及失效模型很大程度上决定了预测结果的准确性。其中关于本构模型的研究相对较为成熟，目前多采用同时计及应变硬化、应变率硬化和温度软化的热黏塑性本构模型。失效模型方面学者们并未达成较为一致的认识，临界应变、临界应力、临界能量等准则都有所采用，这些准则认为当材料的应变、应力或能量达到临界值时裂纹即萌生并开始扩展。事实上，任何宏观瞬态断裂都是微观/细观不同类型损伤形成、演化与积累的结果，本质上是一时间相关过程，只有当载荷特征时间远大于结构内禀失效时间时，才可以将断裂近似为一瞬态事件。从这个角度说，对动态断裂过程的准确预测离不开对损伤动态演化的研究与考虑，并且部分研究已发现爆炸载荷下材料的损伤演化理应同时依赖应变与应变率，而这是现有损伤模型欠缺考虑的。

发明内容

本发明的主要目的在于解决现有技术中的不足，提出一种考虑动态损伤演化的气体爆炸下管道动态断裂预测方法。具体技术方案如下：

一种考虑动态损伤演化的气体爆炸下管道动态断裂预测方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：

S1：建立管道的有限元模型；

S2：定义管道材料热黏塑性本构模型；

S3：定义管道材料的计及应变率影响的损伤演化模型，所述的损伤演化模型具体为：

σ＝(1-D)σ₀

其中，D为宏观连续损伤变量，d、λ、κ为与材料相关的率型损伤演化模型参数，为应变率，ε为应变，ε_th为应变阈值；σ₀表示无损伤材料的应力，σ表示含损伤材料的应力；当D＝0时，表示材料无损伤，当D＝1时，表示材料完全丧失承载能力；

且动态破坏准则定义为D≥D_c，D_c是材料动态破坏临界状态对应的损伤值。

S4：定义在管道内表面施加的气体爆炸载荷，并完成气体爆炸载荷的加载；

S5：定义并施加管道的边界条件，求解管道的有限元模型，对管道的动态断裂过程进行仿真。

进一步地，所述的S1具体包括通过有限元软件，建立管道模型、装配部件、设置分析步并划分网格。

进一步地，所述的管道材料热黏塑性本构模型具体为：