一种基于蠕变屈曲失效判定准则的有机玻璃承压结构的长期服役寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于蠕变屈曲失效判定准则的有机玻璃承压结构的长期服役寿命预测方法，包括：通过有机玻璃单轴蠕变断裂实验，获取不同单轴应力水平下的应力‑应变曲线；基于单轴应力状态下有机玻璃蠕变实验结果，进行参数拟合，获取多轴状态下的蠕变参数，从而建立有机玻璃在多轴应力状态下蠕变‑损伤本构方程；基于有限元软件ABAQUS的CREEP模块，将有机玻璃在多轴应力状态下的蠕变‑损伤本构方程嵌入到有限元分析中，依据蠕变屈曲失效判定准则，判断有机玻璃结构是否发生蠕变屈曲，预测结构的长期服役寿命。本发明专利技术旨在考虑多轴应力状态下的有机玻璃蠕变损伤行为，并提出一种蠕变屈曲失效判定准则，从而更加准确预测有机玻璃薄壁承压结构的长期服役寿命。

A Long-term Service Life Prediction Method for PMMA Pressure Structures Based on Creep Buckling Failure Criterion

The present invention discloses a long-term service life prediction method of PMMA confined structure based on creep buckling failure criterion, which includes: obtaining stress-strain curves under different uniaxial stress levels through uniaxial creep fracture test of PMMA; fitting parameters based on creep test results of PMMA under uniaxial stress state to obtain creep under multiaxial state. Based on the CREEP module of ABAQUS, the creep-damage constitutive equation of plexiglass under multiaxial stress is embedded into the finite element analysis. According to the criterion of creep buckling failure, the creep buckling of plexiglass structure is judged and the long-term service of the structure is predicted. Life. The purpose of the present invention is to consider the creep damage behavior of plexiglass under multiaxial stress state, and to propose a criterion for determining creep buckling failure, so as to predict the long service life of plexiglass thin-walled confined structure more accurately.

【技术实现步骤摘要】
一种基于蠕变屈曲失效判定准则的有机玻璃承压结构的长期服役寿命预测方法
本专利技术涉及可靠性工程
，尤其涉及一种基于蠕变屈曲失效判定准则的有机玻璃承压结构的长期服役寿命预测方法。
技术介绍
有机玻璃因其良好的综合力学性能以及光学特性被广泛地用于制造承压设备，如中微子探测器[1]等。中微子探测器为一承受外压的薄壁容器，因探测需求，要求该容器至少能够长期稳定运行二十年。对于承受外压的薄壁结构，在外压大于屈曲临界载荷时，会发生屈曲变形而丧失稳定性。特别地，有机玻璃是典型的粘弹性材料，即使在环境温度中，在恒定载荷的长期作用下会发生蠕变及蠕变损伤失效。那么，对于承受外压的有机玻璃薄壁结构，即使有机玻璃结构承受的压力远低于屈曲临界载荷，只要载荷作用的时间足够长，随着有机玻璃蠕变变形的增长也可能导致结构发生屈曲，即表现为蠕变屈曲。现有文献[2]中利用有限元软件ABAQUS研究了有机玻璃薄壁球壳在均匀外压下的蠕变屈曲，其中判定结构发生蠕变屈曲的准则为：球壳切线刚度矩阵在屈曲时刻奇异使得数值计算发散，以及时间-变形历程图上球壳的变形速度有无穷增大的趋势[3]。参考文献：[1]陈志平，周凡，陈富财，孙国有.有机玻璃探测器的赤道柔性支撑结构.专利技术专利，ZL201410088815.X.2015.9.[2]周凡.有机玻璃在液闪中的蠕变行为及耐压球壳稳定性研究[D].浙江大学,2017.[3]周华樟.旋切板胶合木的蠕变及其对结构稳定性的影响[D].哈尔滨工业大学,2009.现有技术存在的问题：①现有技术仅考虑了有机玻璃在某一特定载荷下的单轴蠕变特性，因此仅适用于对有机玻璃薄壁结构在特定的均匀外压下的蠕变屈曲进行研究，与实际工况不符，在实际工程中有机玻璃结构大都处于较为复杂多变的多轴应力状态下。②蠕变损伤是有机玻璃材料的主要失效形式之一，现有技术中所采用的蠕变屈曲判定准则没有考虑有机玻璃的蠕变损伤行为，因此对有机玻璃结构长期服役寿命的预测不够准确。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术提供一种基于蠕变屈曲失效判定准则的有机玻璃承压结构的长期服役寿命预测方法，解决现有技术中对有机玻璃蠕变行为描述不恰当以及蠕变屈曲判定准则不全面的问题，本专利技术旨在考虑多轴应力状态下的有机玻璃蠕变损伤行为，并提出一种蠕变屈曲失效判定准则，从而更加准确预测有机玻璃薄壁结构的长期服役寿命。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于蠕变屈曲失效判定准则的有机玻璃承压结构的长期服役寿命预测方法，包括如下步骤：步骤一：通过有机玻璃单轴蠕变断裂实验，获取不同单轴应力水平下的应力-应变曲线；步骤二：基于单轴应力状态下有机玻璃蠕变实验结果，进行参数拟合，获取多轴状态下的蠕变参数，从而建立有机玻璃在多轴应力状态下蠕变-损伤本构方程；步骤三：基于有限元软件ABAQUS的CREEP模块，将有机玻璃在多轴应力状态下的蠕变-损伤本构方程嵌入到有限元分析中，依据蠕变屈曲失效判定准则，判断有机玻璃结构是否发生蠕变屈曲，预测结构的长期服役寿命。进一步的，所述的多轴应力状态下蠕变-损伤本构方程为修正的Liu-Murakami蠕变损伤本构方程，如下所示：σr＝ασI+(1-α)σeq(3)其中，表示蠕变应变率，σeq表示vonMises等效应力，Sij表示偏应力，ω表示蠕变损伤变量，σr表示等效应力，σI为最大主应力；α是一个与材料失效机理相关的参数，在0～1范围内取值；而B，n，A，q2和p为待定的材料蠕变参数，依据单轴蠕变的实验数据，拟合得到。进一步的，所述拟合的方法如下：基于Norton公式(4)，利用最小二乘法拟合得到蠕变参数B和n：其中，为不同应力水平σ对应的最小蠕变应变率；蠕变参数A和p由公式(5)拟合得到：tf＝1/(A*σp)(5)其中，tf表示蠕变断裂时间；参数基于Kachanov-Rabotnov模型中公式拟合得到：进一步的，所述步骤三中，有机玻璃在多轴应力状态下的蠕变-损伤本构方程是通过FORTRAN语言嵌入到ABAQUS分析中；有机玻璃薄壁结构有限元模型的建模过程如下：在ABAQUS/CAE中建立有机玻璃薄壁结构，设置材料属性和划分网格，施加载荷和约束；所述的蠕变屈曲计算中需要建立两个分析步，首先建立一个静态弹性分析步(StaticGeneral)，为后续蠕变屈曲分析提供迭代初始值；然后建立一个蠕变分析步(Visco)，蠕变分析和时间相关；蠕变损伤变量为状态变量，因此，需要在State/Field/User/Time中选择SDV(Solutiondependentstatevariables)定义输出至ODB文件。进一步的，所述蠕变屈曲失效判定准则为：准则一：切线刚度矩阵在屈曲时刻奇异使得数值计算发散，并且依据位移-时间曲线，有机玻璃结构中某点在某一时刻的变形速度增至无穷大，则判断结构发生了蠕变屈曲；准则二：当结构中某一单元的损伤量达到设定的材料破坏阈值时，表明单元在蠕变过程中失去了承载能力，即材料发生了蠕变损伤失效；当满足上述任意一准则时，即可认为有机玻璃结构发生了蠕变屈曲，结束运算，运算时长即为有机玻璃结构的长期服役寿命。进一步的，所述有机玻璃结构替换为只要是薄壁的、承受外压的有机玻璃结构均可。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：①本专利技术考虑了有机玻璃在多轴应力状态下的蠕变损伤行为，与现有技术相比更加符合实际工程中有机玻璃结构的受力状态；②本专利技术提出一种蠕变屈曲失效判定准则，准则不仅包含对结构屈曲失稳失效的判断，还包含对有机玻璃材料的蠕变损伤失效的判断，能够更加准确地预测有机玻璃薄壁外压结构的长期服役寿命。附图说明图1为一种基于蠕变屈曲失效判定准则的有机玻璃承压结构的长期服役寿命预测方法流程图；图2为有机玻璃材料在五组应力水平下的应力-应变曲线图；图3为有机玻璃薄壁球形容器的有限元模型图；图4(a)为实施例1中有机玻璃球壳底部某点的蠕变变形量随时间变化曲线图；图4(b)为实施例1中有机玻璃球壳底部某单元的蠕变损伤变量随时间变化曲线图；图5为实施例2中不同壁厚的有机玻璃球壳底部某点的蠕变变形量随时间变化曲线图；图6为实施例2中不同壁厚的有机玻璃球壳的最大应力水平与相应的长期服役寿命的关系图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。下面结合附图和实施案例，对本专利技术进行详细说明。实施例1：预测内径为10m，壁厚为34mm的有机玻璃球壳的长期服役寿命。通过有机玻璃单轴蠕变断裂实验，获取五组应力水平下(17.5MPa、22MPa、25MPa、27.5MPa和30MPa)的应力-应变曲线；基于单轴应力状态下有机玻璃蠕变实验结果，建立有机玻璃在多轴应力状态下的蠕变-损伤本构方程，如图2所示；所述的多轴应力状态下蠕变-损伤本构方程为修正的Liu-Murakami蠕变损伤本构方程，如下所示：σr＝ασI+(1-α)σeq(3)其中，表示蠕变应变率，σeq表示vonMises等效应力，Sij表示偏应力，ω表示蠕变损伤变量，σr表示等效应力，σI为最大主应力；α是一个与材料失效机理相关的参数，在0～1范围内取值；而B，n，A，q2和p为待定的材料蠕变参数，依据单轴蠕变的实验数据，拟合得到；所述拟合的方法如下：基于Norton公式(4)，利用最小二乘法拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蠕变屈曲失效判定准则的有机玻璃承压结构的长期服役寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：通过有机玻璃单轴蠕变断裂实验，获取不同单轴应力水平下的应力‑应变曲线；步骤二：基于单轴应力状态下有机玻璃蠕变实验结果，进行参数拟合，获取多轴状态下的蠕变参数，从而建立有机玻璃在多轴应力状态下的蠕变‑损伤本构方程。步骤三：基于有限元软件ABAQUS的CREEP模块，将有机玻璃在多轴应力状态下的蠕变‑损伤本构方程嵌入到有限元分析中，依据蠕变屈曲失效判定准则，判断有机玻璃结构是否发生蠕变屈曲，预测结构的长期服役寿命。

【技术特征摘要】
1.一种基于蠕变屈曲失效判定准则的有机玻璃承压结构的长期服役寿命预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：通过有机玻璃单轴蠕变断裂实验，获取不同单轴应力水平下的应力-应变曲线；步骤二：基于单轴应力状态下有机玻璃蠕变实验结果，进行参数拟合，获取多轴状态下的蠕变参数，从而建立有机玻璃在多轴应力状态下的蠕变-损伤本构方程。步骤三：基于有限元软件ABAQUS的CREEP模块，将有机玻璃在多轴应力状态下的蠕变-损伤本构方程嵌入到有限元分析中，依据蠕变屈曲失效判定准则，判断有机玻璃结构是否发生蠕变屈曲，预测结构的长期服役寿命。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的多轴应力状态下蠕变-损伤本构方程为修正的Liu-Murakami蠕变损伤本构方程，如下所示：σr＝ασI+(1-α)σeq(3)其中，表示蠕变应变率，σeq表示vonMises等效应力，Sij表示偏应力，ω表示蠕变损伤变量，σr表示等效应力，σI为最大主应力；α是一个与材料失效机理相关的参数，在0～1范围内取值；而B，n，A，q2和p为待定的材料蠕变参数，依据单轴蠕变的实验数据，拟合得到。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述拟合的方法如下：基于Norton公式(4)，利用最小二乘法拟合得到蠕变参数B和n：其中，为不同应力水平σ对应的最小蠕变应变率；蠕变参数A和p由公式(5)拟合得到：tf＝1/(A*σp)(5)其中，tf表示蠕变断裂时间；参数基于Kachanov...

【专利技术属性】
技术研发人员：周凡，蒋文春，杜洋，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东,37