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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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，本发明专利技术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。

A prediction method of pipeline dynamic fracture under gas explosion considering dynamic damage evolution

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，εth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≥Dc，Dc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：式中a、b、c、n、m为材料待定常数，为材料等效应力，为材料等效塑性应变，为无量纲等效塑性应变率，为参考应变率，Tr和Tm分别为材料的参考温度和融化温度。进一步地，所述的S4中在管道内表面施加的气体爆炸载荷的公式具体为：其中，P为压力，t是时间，Pcj是峰值压力，tcj是波从起始点到测量点运动的时间，x是沿轴向方向的单元到起始点的距离，vcj是爆炸波的速度，时间参数T＝3tcj。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术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。(2)相比于流固耦合模拟，本专利技术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，使本专利技术具有较高的计算效率。附图说明图1为本专利技术对某一具体实施例所采用的含初始缺陷的有限元模型，图1a为管道几何模型，图1b为带有初始缺陷的管道有限元模型；图2为本专利技术管道裂纹动态扩展过程示意图；其中图2a、图2b、图2c、图2d、图2e分别为200μs、400μs、600μs、800μs、1000μs时管道裂纹图；图3为计算结束后的考虑动态损伤演化气体爆轰下管道断裂形貌图。具体实施方式首先需要说明的是，本专利技术是计算机技术在气体爆炸下管道动态断裂预测领域的一种应用。本专利技术的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本专利技术的实现原理和专利技术目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本专利技术。凡本专利技术申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述：以有限元软件ABAQUS为例，首先在ABAQUS/CAE中建立一个管道模型，管长914mm，壁厚0.89mm，外径41.28mm，作为其中一种实施例，在管道中部设置初始缺陷，宽度为0.06mm，如图1所示。模型建立后，使用Assembly对其进行装配。在Property模块中，设置材料参数，管道密度为2780kg/m3，弹性模量为69GPa，泊松比μ＝0.33。定义同时计及应变硬化、应变率硬化和热软化的热黏塑性本构模型：初始屈服应力a为324MPa，材料应变强化参数b为114MPa，硬化指数n为0.42，材料热软化指数m为1.34，融化温度Tm为925K，参考温度Tr为294K；参数c为0.002，参考应变率为10-6s-1。在Load模块中选择用户自定义载荷，并在管道的两端施加相应的固定约束。在Step模块中设置分析步，并选择管道断裂预测所需要输出的变量，如应力S，等效塑性应变PEEQ等。在Mesh模块中，用减缩积分三维八节点实体单元C3D8R对金属管道进行网格划分，单元尺寸为0.06mm。最后在Job模块中，提交作业生成INP文件。编写ABAQUS-VUMAT子程序，定义如下管道材料的率型动态损伤演化模型：σ＝(1-D)σ0(3)式(2)中D为宏观连续损伤，为应变率，ε为应变。与材料率型损伤演化相关的参数d、λ和κ分别为1.75、1.56和1.34，应变阈值εth为0.08。动态破坏准则定义为D≥Dc。根据已知损伤演化参数k，λ，k和εth后，由不同应变率下实验测得的试样破坏应变值，根据式(2)可确定临界损伤Dc＝0.12。在ABAQUS-VDLOAD中定义气体爆炸载荷：(1)统一单位制后给已知的参数赋值:Pcj＝6.1Mpa,vcj＝404m/s；(2)将程序中需要用到的参数定义为实型:realzc,t,x,vcj,press；(3)给上述参数赋值:zc＝zero,t＝totaltime；(4)循环管道沿轴向方向所有内表面坐标的集合:x＝CurCoords(k,3)-zc(5)将拟合的指数衰减曲线编入：完成气体爆炸载荷的加载。最后在ABAQUSCommad命令窗口中，提交ABAQUS-CAE生成的INP文件、VDLOAD用户子程序和VUMAT用户子程序，进行显式分析，计算气体爆炸下管道动态断裂数值预测结果。图2为不同时刻下管道裂纹动态扩展过程，随着时间增长，裂纹不断扩展。图3为管道的最终断裂形貌，结果显示前向裂纹和后向裂纹都始终沿管道的轴线方向扩展。本专利技术定义同时计及应变硬化、应变率硬化和热软化的热黏塑性本构模型，并将管道材料计及应变率影响的损伤演化模型和气体爆炸载荷编写进用户子程序中，能有效预测气体爆炸下管道动态断裂过程，有助于推进过程工业管道的安全设计及管道爆炸事故的调查推演。本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为专利技术的优选实例而已，并不用于限制发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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：

【技术特征摘要】
1.一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，εth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≥Dc，Dc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。2.根据权利要求1所述的考虑动态...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜洋，胡炜，陈国明，
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