多孔金属塑性损伤本构参数的快速标定方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种多孔金属塑性损伤本构参数的快速标定方法，以延性金属材料作为被测试样进行多次准静态加载

【技术实现步骤摘要】
多孔金属塑性损伤本构参数的快速标定方法和系统


[0001]本专利技术涉及结构检测领域，尤其涉及一种多孔金属塑性损伤本构参数的快速标定方法和系统。

技术介绍

[0002]碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢等延性金属材料被广泛应用于起重机械等特种设备，此前调查表明，螺栓断裂所导致的整机倾覆、起重臂和塔身折断等因素占起重机械事故的80％以上，如何描述其在超负荷运行、事故等极端工况下的危险区域和失效行为，是实现特种设备关键区域安全监管和风险评估的理论基础。对于具有一定延展性的金属材料，其内部所含夹杂物或第二项粒子诱发的孔洞成核、长大和聚合是材料失效的根本原因。相比于仅适用于含裂纹构失效分析的经典断裂力学理论，以金属物理学、材料力学、连续介质力学理论为基础的损伤力学不仅描述损伤材料的性质，而且研究直至呈现宏观裂纹前的整个过程，将材料的损伤破坏与裂纹扩展的机理统一起来，绕过了经典断裂力学与弹塑性力学的鸿沟，为解决含裂纹体与无裂纹体的统一问题提供了一条有效途径。
[0003]早期的细观模型研究主要聚焦于刚性基体中孤立孔洞的力学分析，没有考虑微孔洞与基体材料之间的耦合作用，如孔洞长大对材料的软化作用以及基体材料变形局部化对孔洞长大的加速影响。为解决这一问题，1977年，Gurson在期刊《Journal of Engineering Materials and Technology》第99期上提出有限大基体含微孔洞的体胞模型，将孔洞体积分数作为反映材料细观损伤程度的变量引入von Mises屈服准则中，来描述材料中的细观微孔洞对材料宏观塑性行为的影响，形成了一套较为完备的本构模型。
[0004]1984年，Tvergaard和Needleman在期刊《Acta metallurgica》第32期上提出通过引入本构参数(q1和q2)的方式考虑孔洞周围非均匀应力场及孔洞之间的相互作用，对Gurson模型做出修正，形成了如今广泛应用的Gurson
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Tvergaard
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Needleman(GTN)模型。GTN模型中的损伤变量，即孔洞体积分数，具有清晰的几何意义和明确的物理内涵，且其形核与长大过程均可数学描述，因此，大量研究者认为，只要能够获得真实的材料参数，GTN模型能够很好的重现材料变形过程中的损伤与断裂行为。
[0005]经过研究者对GTN模型材料参数的详细研究，包括微观观测、断口分析、成分分析、X射线显微摄影、有限元试错在内的系列方法相继被引入GTN模型材料参数的标定，但胞元模型依旧被认为是研究GTN模型中两个本构参数(q1和q2)最有效的手段。
[0006]2018年，Bourih在期刊《Journal of Materials Research and Technology》第7期上模拟了包含弥散分布球形重叠孔洞材料的塑性流动行为，指出单位体积表征单元内的孔洞数量会影响胞元模型的受力响应，从而影响本构参数(q1和q2)的确定，但是当孔洞数量达到100后，孔洞数量的进一步增加对模拟结果的影响可以忽略不计。
[0007]2021年，Zhang在期刊《Fatigue&Fracture of Engineering Materials&Structures》第44期上使用包含单个球形微孔的胞元模型分析了不同受力状态下的胞元力学响应，确定了核电站压力管道材料STPT410的本构参数。
[0008]2022年，Bensaada在期刊《International Journal of Mechanical Sciences》第217期上研究了孔洞率0.1％至24％的多孔材料的受力响应，指出单位体积表征单元内的孔洞数量会影响胞元模型的受力响应，但是当孔洞数量达到100后，孔洞数量的进一步增加对模拟结果的影响可以忽略不计(验证了Bourih等人关于孔洞数量对模拟结果影响的结论)。因此，建议将单位体积内的孔洞数量设置在100以上，以更好的模拟延性金属材料内部弥散分布的微孔。
[0009]2023年，Zhang在期刊《Materials Today Communications》第34期上使用包含100个弥散分布微孔的胞元模型确定了低合金钢SA516和奥氏体不锈钢S30408材料的本构参数。
[0010]目前对于延性金属塑性损伤模型(即GTN模型)中本构参数的确定方法均使用包含单个或多个球形微孔的胞元模型，为准确描述材料在不同损伤阶段、不同受力状态下的力学响应，需要建立包含不同孔洞率与不同受力状态的有限元分析模型，不仅需要繁琐的有限元建模过程，而且需要大量的计算时间和计算资源，不利于延性金属塑性损伤模型在特种设备安全评估领域的工程应用推广。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是为了提供一种多孔金属塑性损伤本构参数的快速标定方法和系统，简化了本构参数标定流程，促进了延性金属塑性损伤模型的工程应用推广。
[0012]为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：
[0013]第一方面，提供一种多孔金属塑性损伤本构参数的快速标定方法，包括：
[0014]步骤S100：以延性金属材料作为被测试样进行多次准静态加载
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卸载的单轴拉伸测试，获得被测试延性金属材料的真应力和真应变；基于真应力和真应变获得被测试延性金属材料的拉伸有效杨氏模量；
[0015]步骤S200：获取被测试延性金属材料的拉伸有效杨氏模量和基体材料的杨氏模量的比值，基于比值和被测试延性金属材料的真应力得到被测试延性金属基体材料的真应力；其中，被测试延性金属材料包含微孔洞，基体材料为被测试延性金属材料不含微孔洞的部分；
[0016]步骤S300：基于基体材料的真应力拟合被测试延性金属基体材料的幂强化参数；
[0017]步骤S400：根据被测试延性金属基体材料的幂强化参数标定多孔金属塑性损伤本构参数。
[0018]进一步地，步骤S100包括：
[0019]步骤S110：以延性金属材料作为被测试样，对标距段长度L0、标距段截面积S0的试样进行包含N次准静态加载
‑
卸载的单轴拉伸测试，获得被测试延性金属材料的真应力σ
T
和真应变ε
T
；
[0020]步骤S120：采用线性函数拟合第(i)个拉伸循环的卸载曲线，获得当前第(i)个拉伸循环被测试延性金属材料的拉伸有效杨氏模量其中，线性函数如下：
[0021][0022]式中，σ
T
为真应力，ε
T
为真应变，为第(i)个拉伸循环完全卸载后的塑性应变，其
中，N≥i≥1。
[0023]进一步地，步骤S200中，被测试延性金属基体材料的真应力σ
M
的计算方法为：
[0024][0025]式中，σ
T
为延性金属材料单轴拉伸测试直接获得的真应力，延性金属材料含微孔洞，为被测试延性金属材料第(i)个拉伸循环的拉伸有效杨氏模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.多孔金属塑性损伤本构参数的快速标定方法，其特征在于：包括步骤S100：以延性金属材料作为被测试样进行多次准静态加载
‑
卸载的单轴拉伸测试，获得被测试延性金属材料的真应力和真应变；基于真应力和真应变获得被测试延性金属材料的拉伸有效杨氏模量；步骤S200：获取被测试延性金属材料的拉伸有效杨氏模量和基体材料的杨氏模量的比值，基于比值和被测试延性金属材料的真应力得到被测试延性金属基体材料的真应力；其中，被测试延性金属材料包含微孔洞，基体材料为被测试延性金属材料不含微孔洞的部分；步骤S300：基于基体材料的真应力拟合被测试延性金属基体材料的幂强化参数；步骤S400：根据被测试延性金属基体材料的幂强化参数标定多孔金属塑性损伤本构参数。2.根据权利要求1所述的多孔金属塑性损伤本构参数的快速标定方法，其特征在于：步骤S100包括：步骤S110：以延性金属材料作为被测试样，对标距段长度L0、标距段截面积S0的试样进行包含N次准静态加载
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卸载的单轴拉伸测试，获得被测试延性金属材料的真应力σ
T
和真应变ε
T
；步骤S120：采用线性函数拟合第(i)个拉伸循环的卸载曲线，获得当前第(i)个拉伸循环被测试延性金属材料的拉伸有效杨氏模量其中，线性函数如下：式中，σ
T
为真应力，ε
T
为真应变，为第(i)个拉伸循环完全卸载后的塑性应变，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾雯雯，肖昀，孙勇，赵辉，王丹，路成龙，
申请(专利权)人：南京市特种设备安全监督检验研究院，
类型：发明
国别省市：