一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统，其中，方法包括：在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；边界条件包括对称约束和固定约束；对有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算并在有限元计算后提取数据；通过有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；通过单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到含裂纹结构件的断裂韧性。由拘束参量与断裂韧性之间的关系，建立实验室试样测得断裂韧性与工程实际中含裂纹结构件断裂韧性之间的关系。

【技术实现步骤摘要】
一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统
本专利技术涉及断裂力学领域，尤其涉及一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统。
技术介绍
由于生产和服役中的腐蚀介质、应力和杂质等原因，陆地石油管道可能会产生各种缺陷导致失效。为保证管道的安全运营，必须对含缺陷(裂纹)的管道进行结构完整性评估。断裂韧性是结构完整性评估中的一项重要输入参量，其精度对合于“合于使用”思想在工程实际中的应用具有至关重要的作用。为获得延性/韧性材料的断裂韧性，使用实验室尺度的标准断裂试样，对描述其裂纹萌生和稳态扩展的裂纹扩展阻力曲线(CTOD-R曲线或J-R曲线)进行测定。但是，材料的断裂韧性会受到裂纹尖端的应力应变场，即裂纹尖端拘束度的影响；而试样的几何形状和尺寸等因素会显著改变材料的裂纹尖端拘束度，影响断裂韧性的测定结果。因此，在使用断裂力学进行结构设计和完整性评估时，需要特别考虑实验室测定断裂韧性与含裂纹结构件断裂韧性之间的可转移性。近年来，针对试样尺寸变化对断裂性能的研究，主要是通过裂纹尖端拘束度来修正断裂韧性。许多学者在拘束效应的表征方面做了大量工作，并发现将J积分作为载荷水平的唯一度量无法准确描述裂纹尖端的应力应变场。为了更加精确地表征裂纹尖端的应力场，通过引入第二项拘束参量，先后提出过K-T，J-T，J-Q和J-A2等双参数理论。但是在实际三维结构中，弹塑性裂纹的受力状态十分复杂，其应力状态介于平面应变与平面应力之间。双参数理论解本质上是二维裂纹解的高阶近似，无法准确描述面外拘束对裂纹尖端应力场的作用，在实际工程中的应用具有一定的局限性。因此，如何提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统，引入一个有效的表征三维裂纹尖端应力场的拘束参量，将实验室试样与工程实际中含裂纹结构件的断裂韧性关联起来，成为亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法及系统。第一方面，本专利技术实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，包括：在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算并在所述有限元计算后提取数据；通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性。可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，所述单边缺口拉伸试样采用夹持加载形式对单边缺口拉伸试样本体进行加载，所述单边缺口拉伸试样本体的中部有贯穿试样宽度方向的缺口，所述缺口设有疲劳预制裂纹，所述缺口与所述疲劳预制裂纹在垂直于试样长度方向的同一平面上。可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量，具体包括：通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场和作用于韧带的全局弯矩M；通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和所述作用于韧带的全局弯矩M，计算得到线性化修正因子；通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及所述单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场、所述作用于韧带的全局弯矩M和所述线性化修正因子，计算得到拘束参量。可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场，具体包括：通过所述有限元模型模拟以获取单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的正应力，硬化常数α，屈服强度σ0，屈服应变ε0，应变强化指数n，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r，裂纹尖端角度θ，取决于应变强化指数n的积分常量In；结合与裂纹尖端角度θ和应变强化指数n有关的无量应力函数，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场。可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到作用于韧带的全局弯矩M，具体包括：通过所述有限元模型模拟以获取裂纹深度a，试样宽度W，远端施加应力σ∞，计算得到作用于韧带的全局弯矩M。可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和所述作用于韧带的全局弯矩M，计算得到线性化修正因子，具体包括：通过所述有限元模型模拟以获取韧带长度b，研究区域内的两点到裂纹前沿研究点的间距r1和r2，分别对应于r1和r2的张开应力和结合已计算得到的作用于韧带的全局弯矩M，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场，计算得到线性化修正因子。可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及所述单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场、所述作用于韧带的全局弯矩M和所述线性化修正因子，计算得到拘束参量，具体包括：通过所述有限元模型模拟以获取硬化常数α，屈服强度σ0，屈服应变ε0，应变强化指数n，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r，取决于n的积分常量In，韧带长度b，特征长度L，有限元模型在裂纹前缘z方向的张开应力；结合计算得到的作用于韧带的全局弯矩M，单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和线性化修正因子，计算得到拘束参量。可选的，所述含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，所述通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性，具体包括：将所述拘束参量代入有关于拘束参量的断裂韧性函数表达式，计算得到断裂韧性；所述有关于拘束参量的断裂韧性函数表达式，通过获取相同裂纹深度、相同侧边槽形状但不同厚度的单边缺口拉伸试样的断裂韧性与拘束参量的数值，对所述断裂韧性与拘束参量的数值进行线性拟合得到。第二方面，本专利技术实施例提供一种含裂纹结构件的断裂韧性计算系统，包括：模型设置模块，用于在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；数据提取模块，与模型构建模块相连，用于对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；参量计算模块，与数据提取模块相连，用于通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，包括：/n在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；/n对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算并在所述有限元计算后提取数据；/n通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；/n通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性。/n

【技术特征摘要】
1.一种含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，包括：
在预先建立的单边缺口拉伸试样的有限元模型中，设置单边缺口拉伸试样的弹塑性本构关系、拉伸载荷以及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算并在所述有限元计算后提取数据；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量；所述单边缺口拉伸试样的拘束参量与单边缺口拉伸试样的断裂韧性之间存在线性回归关系；
通过所述单边缺口拉伸试样的拘束参量，计算得到所述含裂纹结构件的断裂韧性。


2.根据权利要求1所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
所述单边缺口拉伸试样采用夹持加载形式对单边缺口拉伸试样本体进行加载，所述单边缺口拉伸试样本体的中部有贯穿试样宽度方向的缺口，所述缺口设有疲劳预制裂纹，所述缺口与所述疲劳预制裂纹在垂直于试样长度方向的同一平面上。


3.根据权利要求1所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样的拘束参量，具体包括：
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场和作用于韧带的全局弯矩M；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场和所述作用于韧带的全局弯矩M，计算得到线性化修正因子；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及所述单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘z方向的HRR场、所述作用于韧带的全局弯矩M和所述线性化修正因子，计算得到拘束参量。


4.根据权利要求3所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的正应力，硬化常数α，屈服强度σ0，屈服应变ε0，应变强化指数n，裂纹后部尖端到裂纹前沿研究点的间距r，裂纹尖端角度θ，取决于应变强化指数n的积分常量In；
结合与裂纹尖端角度θ和应变强化指数n有关的无量应力函数，计算得到单边缺口拉伸试样有限元模型在裂纹前缘x方向、y方向和z方向的HRR场。


5.根据权利要求3所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到作用于韧带的全局弯矩M，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取裂纹深度a，试样宽度W，远端施加应力σ∞，计算得到作用于韧带的全局弯矩M。


6.根据权利要求3所述的含裂纹结构件的断裂韧性计算方法，其特征在于，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，以及单边缺...

【专利技术属性】
技术研发人员：李一哲，吴向阳，张志毅，卢铁鹏，田仁勇，
申请(专利权)人：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37