专利名称：基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法
技术领域：
本发明属于压力容器与安全工程领域，具体涉及一种材料脆性断裂评价参量的标定方法，即基于Beremin解理断裂模型的压力容器材料脆性断裂评价参量的标定方法。
背景技术：
核电已经成为世界能源结构的重要组成部分，目前我国有在用反应堆11座，按照国家“积极发展核电”的中长期发展规划，未来15年将新建40余座以AP1000为代表的第三代百万千瓦级先进压水堆核电机组，成为世界上核电工业发展最快的国家。作为反应堆的最核心部件，核压力容器采用铁素体钢制成，这类钢具有明显的韧脆转变现象。而且在服役期间其一直受中子辐照的影响，进一步导致材料的韧脆转变温度升高，即在规定的工作温度下的材料断裂韧性会下降。为了保障核反应堆压力容器结构完整性，核电站在设计及使用维护阶段均需要按多种可能出现的工况，进行压力容器的结构完整性评估，以保证不会发生脆断事故。其中，压力容器在服役辐照前后的材料(包括母材、焊缝及其热影响材料) 韧脆转变区的断裂韧性是必须的基础数据之一。目前评价压力容器材料脆性断裂失效一般采用局部方法，其中Beremin解理断裂模型是美国、法国、英国以加拿大和我国标准中均推荐采用的方法。Beremin模型是由法国的F. M Beremin研究小组，在研究压力容器用钢脆性断裂过程中提出的一个解理断裂局部法模型。Beremin模型非常适合解决拘束度效应对解理断裂韧性的影响，还擅长分析复杂加载条件下(例如多轴外载荷，高速绝热加载)的解理断裂问题。Beremin模型仅用Weibull斜率m和W^eibull尺度参量σ u两个参量来描述复杂的解理断裂事件，模型预测解理断裂的准确性与参量的数值密切相关。因此，Beremin模型参量的标定方法是压力容器材料脆性断裂失效评价方法中的关键技术。国外已报道有几种Beremin模型参量的标定方法。例如，Minami等人于1992年在〈〈International Journal of Fracture〉〉杂志上发表的〈〈Estimation procedure for the Weibull stress parameters used in the local approach》中，] 出了■于单一拘束试样的标定方法；Gao等人于1998年在《Engineering fracture mechanics))杂志上发表白勺〈〈Calibration of Weibull stress parameters using fracture toughness data))中，提出了基于高低拘束不同试样的标定方法(GRD标定法)；Ruggieri等人于 2000 年在((Engineering Fracture Mechanics))杂志上发表的((Transferability of elastic-plastic fracture toughness using the Weibull stress approach significance of parameter calibration》中，在GRD标定法的基础上简化得到了一种 Beremin模型参量标定方法(RGD标定法)。然而，现有方法均存在计算步骤繁琐，计算量大等弊端，有时需要编写程序完成计算。尤其是Minami等人提出的标定方法，必须通过专门编写的迭代求解程序才能计算得到模型参量m和ou。而采用RGD标定法时，首先需要完成从有限元模型中导出两种试样在不同载荷下每个单元的主应力和单元体积数据的工作，然后假设一系列不同的m值，利用导出的数据计算出这两种试样在这些载荷下的几十个OwS力值，最后再基于等力的条件建立韧性换算图，计算量十分庞大，其次，由Minami等人提出的标定方法基于单一拘束试样，得到的模型参量的不确定度很大，在不同拘束结构间的通用性较差，而GRD标定法和RGD标定法也仅能同时标定两种试样，而无法同时标定多于两种的试样。另外，当材料试样的Beremin模型参量存在多组近似解时，RGD标定法只能给出其中一组最精确的解，而忽略其它近似解。
发明内容
针对现有Beremin模型参量标定方法中存在的问题和不足，本发明提供一种基于不同拘束试样m Qu曲线交点的参量简化标定方法。该方法可同时标定多种不同拘束度的试样，在不影响标定精度的情况下，简便地计算得到Beremin模型参量，并且既能获得 Beremin模型参量的精确解，同时又不会忽略多组近似解。本发明的基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法包括以下步骤(1)选取至少两种由相同材料制成但具有不同拘束度的试样，利用每种试样的断裂韧性试验数据，分别计算得到每种试样在同一标定温度下累积失效概率为63. 2%时的断裂韧性值Ktl ；(2)利用在所述同一标定温度下的应力应变曲线建立每种试样的有限元模型，分别计算得到每种试样在Kci载荷下每个单元的最大主应力0 U和单元体积Vi，其中i为单元序号；(3)赋予Weibull斜率m不同数值，根据下式分别计算得到每种试样的Weibull尺度参量ou，作出每种试样的m与Ou之间的Beremin参量特征曲线；
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权利要求
1.一种基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤(1)选取至少两种由相同材料制成但具有不同拘束度的试样，利用每种试样的断裂韧性试验数据，分别计算得到每种试样在同一标定温度下累积失效概率为63. 2%时的断裂韧性值K0 ；(2)利用在所述同一标定温度下的应力应变曲线建立每种试样的有限元模型，分别计算得到每种试样在Ktl载荷下每个单元的最大主应力ο u和单元体积Vi,其中i为单元序号；(3)赋予Weibull斜率m不同数值，根据下式分别计算得到每种试样的Weibull尺度参量Ou，作出每种试样的m与ou之间的Beremin参量特征曲线；
2.如权利要求1所述的基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在所述同一标定温度下进行每种试样的断裂韧性测试以获得所述断裂韧性试验数据。
3.如权利要求1所述的基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在不同温度下进行每种试样的断裂韧性测试以获得所述断裂韧性试验数据，根据预设的断裂韧性主曲线计算每种试样在所述同一标定温度下累积失效概率为63. 2%时的断裂韧性值Ktl。
4.如权利要求3所述的基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述同一标定温度为所述不同温度中的最低温度。
5.如权利要求1所述的基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法，其特征在于，所述步骤中，在所述同一标定温度下进行单轴拉伸试验以获得所述应力应变曲线。
6.如权利要求5所述的基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，m的取值为大于5且小于40的整数。
7.如权利要求6所述的基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，断裂过程区的范围为Qia彡λ 0ys，其中λ为常数，0ys为所述标定温度下的材料屈服强度。
8.如权利要求7所述的基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，λ的取值为1或2。
9.如权利要求1所述的基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，每种试样的断裂韧性试验数据的个数不少于6个。
10.如权利要求9所述的基于Beremin模型的材料脆性断裂评定参量的标定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，每种试样的断裂韧性试验数据的个数不少于15个。
全文摘要
本发明公开了一种压力容器材料的脆性断裂评定参量的标定方法，具体来说是一种基于Beremin模型的脆性断裂评定参量标定方法。本发明通过选取至少两种具有不同拘束度的试样，利用每种试样的断裂韧性试验数据，分别计算得到每种试样在同一标定温度下累积失效概率为63.2％时的断裂韧性值K0；测得在所述标定温度下的应力应变曲线，建立每种试样的有限元模型，分别计算得到每种试样在K0载荷下每个单元的最大主应力和单元体积；赋予Weibull斜率m不同数值，计算得到每种试样的Weibull尺度参量σu，作出每种试样的m与σu之间的关系曲线；根据m～σu曲线的交点坐标得到所述材料的脆性断裂评定参量。与传统的基于韧性换算模型的Beremin模型参量标定方法相比，本发明方法计算量小，可直观地显示标定的收敛过程。
文档编号G01N3/00GK102494940SQ201110415419
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者惠虎, 曹昱澎, 李培宁, 王国珍, 轩福贞 申请人:华东理工大学