一種實際含裂紋結構斷裂韌性的確定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種結構性能評定方法，特別涉及一種實際含裂紋結構斷裂韌性的確 定方法。
【背景技術】
[0002] 在目前的結構完整性評定中，一般用深裂紋高拘束的標準試樣測得的材料斷裂韌 性下限值對實際結構的安全性進行評定。然而，大量實驗和研究表明，材料的斷裂韌性受試 樣/結構幾何、裂紋尺寸和加載方式等因素的影響，這種影響通常被稱為"拘束效應"，拘束 的增加導致材料斷裂韌性的降低。在實際壓力容器、管線等結構中，缺陷一般為低拘束的表 面淺裂紋，如用高拘束試樣測得的斷裂韌性下限值評定實際結構中低拘束的裂紋，將產生 過于保守的結果；反之，用其評定實際結構中個別拘束很高的裂紋，可能產生非保守的結 果。因此，為了進行準確的缺陷安全性評定和壽命預測，需要在結構完整性評定中納入拘束 效應，準確測量不同結構的斷裂韌性。
[0003] 在目前的結構完整性評定中，往往尋找與實際結構拘束度相匹配的實驗室試樣， 通過測量實驗室試樣斷裂韌性的方法來確定結構的斷裂韌性。這種方法不能直接對結構的 斷裂韌性進行測量，且未必能找到拘束度相匹配的實驗室試樣。
【發明內容】
[0004] 本發明是針對目前的結構完整性評定中確定結構的斷裂韌性困難的問題，提出了 一種確定實際含裂紋結構斷裂韌性的方法。可準確獲得不同含裂紋結構的斷裂韌性，為準 確的結構完整性評定提供技術基礎。
[0005] 本發明的技術方案為:一種實際含裂紋結構斷裂韌性的確定方法，具體包括如下 步驟：
[0006] 1)結構中所用材料的斷裂韌性JC與統一拘束參數~關聯線的確定：
[0007] 首先，根據ASTM E1820標準，選擇一定尺寸的試樣作為標準試樣，再選擇至少一組 非標準尺寸試樣，對選擇的試樣進行斷裂力學實驗，測量試樣的斷裂韌性Jc;
[0008] 然后，對所選試樣建立有限元模型，計算不同試樣斷裂韌性所對應的裂紋尖端 PEEQ = 0 · 2或0 · 3等值線所圍面積APEEQ;
[0009] 最后，選用上述標準試樣測量的斷裂韌性上及其對應的等值線所圍面積APEEQ作為 參考斷裂韌性值Jrrf和參考面積值Arrf，以不同試樣無量綱化后的斷裂韌性J c/Jre3f為縱坐 標，以不同試樣無量綱化后的等值線所圍面積APEEQ/Arrf的平方根
為橫坐標作圖，AP = ApEEQ/Aref，即可得到
[0011] 2)實際工況下含裂紋結構中J積分與統一拘束參數AP關聯線的確定：
[0012] 建立實際工況下含裂紋結構的有限元模型，計算實際結構中裂紋尖端J積分與 PEEQ = 0.2或0.3等值線所圍面積Apeeq，以上述中所選Jref與Aref作為參考對至少兩組J積分 與對應的APEEQ進行無量綱化，得到實際結構中裂紋尖端J積分與PEEQ等值線所圍面積之間
[0013] 3)實際結構斷裂韌性的確定：
[0014] 在同一個坐標系中繪制兩條直線 其交點即為結構失效 點，交點的縱坐標乘以Jrrf所得數值即為實際結構的斷裂韌性。
[0015] 本發明的有益效果在于:本發明確定實際含裂紋結構斷裂韌性的方法，通過有限 元模型，實現實際含裂紋結構斷裂韌性的確定。其成本低、簡單可靠，便于工程實踐中應用， 為準確的結構完整性評定提供依據。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發明舉例中三點彎曲試樣的尺寸及加載示意圖；
[0018] 圖3為本發明管道的幾何尺寸與裂紋尺寸示意圖；
[0019] 圖4為本發明實際結構斷裂韌性的確定示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 確定實際含裂紋結構斷裂韌性的方法具體步驟包括：
[0021] 1、結構中所用材料的斷裂韌性jc與統一拘束參數~關聯線的確定：
[0022] (1)根據ASTM E1820標準，選擇一定尺寸的試樣作為標準試樣，再選擇至少一組非 標準尺寸試樣（用更多試樣可得到更準確的結果），對選擇的試樣進行斷裂力學實驗，測量 試樣的斷裂韌性Jc。
[0023] (2)對所選試樣建立有限元模型，計算不同試樣斷裂韌性所對應的裂紋尖端PEEQ =0.2 (或0.3)等值線所圍面積Apeeq。
[0024] (3)選用上述標準試樣測量的斷裂韌性其對應的等值線所圍面積APEEQ作為參 考斷裂韌性值Jrrf和參考面積值Arrf，以不同試樣無量綱化后的斷裂韌性Jc/Jrrf為縱坐標， 以不同試樣無量綱化后的等值線所圍面積A PEEQ/Arrf (即統一拘束參數AP，AP = APEEQ/Arrf)的
為橫坐標作圖，即可得到
[0026] 2、實際工況下含裂紋結構中J積分與統一拘束參數AP關聯線的確定
[0027] 建立實際工況下含裂紋結構的有限元模型，計算實際結構中裂紋尖端J積分與 PEEQ = 0.2 (或0.3)等值線所圍面積Apeeq。以上述中所選Jref與Aref作為參考對至少兩組J積 分與對應的Apeeq進行無量綱化，得到實際結構中裂紋尖端J積分與PEEQ等值線所圍面積之
[0028] 3、實際結構斷裂韌性的確定：
[0029] 在同一個坐標系中繪制兩條直線：
其交點即為結構失效 點，交點的縱坐標乘以Jrrf所得數值即為實際結構的斷裂韌性。
[0030] 舉例：
[0031]結構中所用材料的斷裂韌性Jc與統一拘束參數~關聯線的確定：
[0032] (1)選用核電壓力容器材料A508鋼，根據ASTM E1820標準，選用厚度B=16mm、高度 W= 2B = 32mm，裂紋相對深度a/W = 0.5 (a為裂紋深度)的三點彎曲試樣作為標準試樣，試樣 尺寸及加載示意圖如圖1所示。選擇非標準試樣的尺寸為:B = 16mm、高度W = 2B = 32mm，裂紋 相對深度a/W = 0.3。對兩組試樣分別進行斷裂韌性實驗，獲得材料在不同尺寸下的斷裂韌 性 Jci，JC2。
[0033] (2)對所選試樣建立有限元模型，計算兩組試樣斷裂韌性所對應的裂紋尖端PEEQ =0.2等值線所圍面積Apeeqi，Apeeq2。
[0034] (3)選用a/W=0.5標準試樣測量的斷裂韌性Jm及其對應的等值線所圍面積APEEQ1 作為參考斷裂韌性值Jrrf和參考面積值Arrf，以不同試樣無量綱化后的斷裂韌性JC1/jre3f， Jc2/Jref為縱坐標，以不同試樣的統一拘束參數Apl (即ApEEQl/Aref )，AP2(即APEEQ2/Aref )的平方 根為橫坐標作圖，
關聯線，如圖2所示。
[0035] 實際工況下含裂紋結構J積分與統一拘束參數AP關聯線的確定：
[0036] 實際結構以管道為例。假設管道中有一橢圓形裂紋，管道尺寸及裂紋尺寸如圖3所 示。其中a/t = 0.2，a/c = 0.2(a為裂紋深度，2c為裂紋長度，t為管道厚度）。建立實際工況下 管道的有限元模型，計算裂紋尖端J積分與等值線所圍面積A PEEQ。以選用的Jrrf與Arrf作為參 考對至少兩組J積分與對應的APEEQ進行無量綱化，得到管道中裂紋尖端J積分與PEEQ等值線 所圍面積之間的關聯線
，.如圖4中紅色線所示。
[0037]實際結構斷裂韌性的確定：
[0038]在同一個坐標系中繪制兩條直線：
其交點的縱坐標 乘以所得數值即為管道的斷裂韌性，如圖4所示。
【主權項】
1. 一種實際含裂紋結構斷裂韌性的確定方法，其特征在于，具體包括如下步驟： 1) 結構中所用材料的斷裂韌性JC與統一拘束參數~關聯線的確定： 首先，根據ASTM E1820標準，選擇一定尺寸的試樣作為標準試樣，再選擇至少一組非標 準尺寸試樣，對選擇的試樣進行斷裂力學實驗，測量試樣的斷裂韌性Jc; 然后，對所選試樣建立有限元模型，計算不同試樣斷裂韌性所對應的裂紋尖端PEEQ = 0.2或0.3等值線所圍面積Apeeq ; 最后，選用上述標準試樣測量的斷裂韌性JoS其對應的等值線所圍面積APEE(^t為參考 斷裂韌性值Jrrf和參考面積值Arrf，以不同試樣無量綱化后的斷裂韌性Jc/Jrrf為縱坐標，以 不同試樣無量綱化后的等值線所圍面積APEEQ/Arrf的平方根_^:為橫坐標作圖，Α Ρ = Α_/ Aref，即可得到關聯線； 2) 實際工況下含裂紋結構中J積分與統一拘束參數AP關聯線的確定： 建立實際工況下含裂紋結構的有限元模型，計算實際結構中裂紋尖端J積分與PEEQ = 0.2或0.3等值線所圍面積Apeeq，以上述中所選Jref與Aref作為參考對至少兩組J積分與對應 的Apeeq進行無量綱化，得到實際結構中裂紋尖端J積分與PEEQ等值線所圍面積之間的關聯 線：；3) 實際結構斷裂韌性的確定： 在同一個坐標系中繪制兩條直線： 其交點即為結構失效點， 交點的縱坐標乘以Jrrf所得數值即為實際結構的斷裂韌性。
【專利摘要】本發明涉及一種確定實際含裂紋結構斷裂韌性的方法。通過先進行結構中所用材料的斷裂韌性JC與統一拘束參數Ap關聯線的確定，然后進行實際工況下含裂紋結構中J積分與統一拘束參數Ap關聯線的確定，最后在同一個坐標系中繪制前兩個確定所得兩條直線，其交點即為結構失效點，交點的縱坐標乘以參考斷裂韌性值所得數值即為實際結構的斷裂韌性。本發明通過有限元模型，實現實際含裂紋結構斷裂韌性的確定。其成本低、簡單可靠，便于工程實踐中應用，為準確的結構完整性評定提供依據。
【IPC分類】G01N3/08
【公開號】CN105606448
【申請號】CN201510560593
【發明人】楊杰
【申請人】上海理工大學
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年9月6日