一种基于有限元的材料断裂韧性确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种断裂力学，特别设及一种基于有限元的材料断裂初性确定方法。
【背景技术】
[0002] 材料的断裂初性受试样/结构几何、裂纹尺寸和加载方式等因素的影响，运种影 响通常被称为"拘束效应"。拘束的增加导致材料断裂初性的降低。当用高拘束标准试样的 断裂初性测定值评定低拘束缺陷结构的完整性时会产生过于保守的评定结果，从而导致不 必要的维修或报废，产生较大的经济损失；另一方面当用其评定更高拘束的结构裂纹时，可 能得到非保守（不安全）的结果。因此，为了进行准确的缺陷安全性评定和寿命预测，需要 在结构完整性评定中纳入裂尖的拘束效应。其基础性的工作是：测定不同拘束条件下材料 的断裂初性。
[0003] 而目前基于标准：ASTME1820通过断裂初性试验测量不同拘束试样的断裂初性， 不仅成本高、计算过程复杂，并且由于试验中对试样的尺寸有特殊的要求，无法测量任意拘 束条件下材料的断裂初性。
【发明内容】
[0004] 本发明是针对材料断裂初性检测存在的问题，提出了一种基于有限元的材料断裂 初性确定方法，可通过有限元数值模拟获得不同拘束条件下材料的断裂初性，为断裂初性 的测定及结构完整性评定提供方便。 阳0化]本发明的技术方案为：一种基于有限元的材料断裂初性确定方法，包括GTN模型 参数的标定和不同拘束试样断裂初性的确定两个步骤，
[0006] GTN模型参数的标定步骤如下： 阳007] 通过实验和数值计算相结合的方法标定：塑性本构参数Qi、〇2、初始孔桐体积 分数f。;孔桐形核参数：平均形核应变eM、形核标准偏差Sw、形核孔桐体积分数fw;孔桐聚 合时的临界体积分数fe，断裂时的临界孔桐体积分数fV九个参数：
[0008] 首先，根据ASTME1820标准，选择一定尺寸的试样作为标准试样；然后，通过实验 的方法测定材料的真应力-真应变曲线，及标准试样的裂纹扩展阻力曲线，即J-R阻力曲 线；接下来，对标准试样建立有限元模型，用嵌含有GTN损伤模型的ABA卵S软件模拟计算试 样的J-R阻力曲线；调整GTN模型参数f。，fw，fc和fF计算J-R阻力曲线，使计算的J-R阻力 曲线与实验测得的J-R阻力曲线一致，则对应的GTN模型参数即为标定的该材料的GTN模 型参数；
[0009] 不同拘束试样断裂初性的确定：
[0010] 用ABA卵S软件对不同拘束条件下需要测量材料断裂初性的试样建立有限元力学 模型，将实验测量的材料真应力-真应变曲线和上述标定的材料GTN模型参数输入模型，模 拟裂纹的起裂和扩展过程，模拟完成后，计算得到试样的载荷-位移曲线及不同加载步时 的裂纹扩展量Aa，并根据ASTME1820标准计算得到裂纹扩展J-R阻力曲线，通过0.2mm纯 化线的方法确定材料的断裂初性，0. 2mm纯化线与J-R阻力曲线的交点所对应的纵坐标即 为材料的断裂初性。
[0011] 本发明的有益效果在于：本发明基于有限元的材料断裂初性确定方法，可通过有 限元数值模拟获得不同拘束条件下材料的断裂初性，为断裂初性的测定及结构完整性评定 提供方便。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明举例中S点弯曲试样的尺寸及加载示意图；
[0013] 图2为本发明举例中实验测量的A508钢的室溫下的真应力-真应变曲线图；
[0014] 图3为本发明举例中基于有限元计算得到的标准试样的J-R阻力曲线与实验测得 的J-R阻力曲线之间的对比图；
[0015] 图4为本发明举例中基于有限元计算得到的不同拘束试样的J-R阻力曲线及断裂 初性的确定图。
【具体实施方式】
[0016]1、GTN模型参数的标定
[0017] GTN模型包含九个参数：塑性本构参数Qi、化、屯;初始孔桐体积分数f。;孔桐形核 参数：平均形核应变eM、形核标准偏差Sw、形核孔桐体积分数柏孔桐聚合时的临界体积 分数fe，断裂时的临界孔桐体积分数fV。为了使用嵌含有GTN损伤模型的ABA卵S软件计算 不同拘束条件下材料的断裂初性，首先需要通过实验和数值模拟相结合的方法标定材料的 GTN模型参数。为了简化复杂的标定程序，对于含有夹杂物和碳化物的金属材料而言，大多 数文献建议本构参数、化、口3一般取值为：q1二L5,q2二1,q3二q1二2. 25,对于低合金 钢而言，在大多数研究中，孔桐形核参数一般取e。= 0. 3,Sw= 0. 1。参数f。、fw、fc和fF 一般通过通过实验和数值计算相结合的方法标定。必要时9个参数都可通过下面的方法标 定，标定方法为：
[001引 （1)对于一定材料，根据ASTME1820标准，选择一定尺寸的试样作为标准试样。
[0019] (2)通过实验的方法测定材料的真应力-真应变曲线，及标准试样的裂纹扩展阻 力曲线，即J-R阻力曲线。
[0020] (3)对标准试样建立有限元模型，用嵌含有GTN损伤模型的ABA卵S软件模拟计算 试样的J-R阻力曲线。 阳OW (4)调整GTN模型参数f。，fw，fc和fF计算J-R阻力曲线，使计算的J-R阻力曲线 与实验测得的J-R阻力曲线一致，则对应的GTN模型参数即为标定的该材料的GTN模型参 数。
[0022] 需要指出的是，GTN模型中其他五个参数：屯、化、Q3、eW和Sn均可通过相同的方 法标定，对于某些特定的材料如低合金钢可W简化，标定结果W计算的J-R阻力曲线与实 验测得的J-R阻力曲线一致为准。
[0023] 2、不同拘束试样断裂初性的确定
[0024] 用ABA卵S软件对不同拘束条件下需要测量材料断裂初性的试样建立有限元力学 模型，将实验测量的材料真应力-真应变曲线和上述方法标定的材料GTN模型参数输入模 型，模拟裂纹的起裂和扩展过程。模拟完成后，计算得到试样的载荷-位移曲线及不同加 载步时的裂纹扩展量Aa，并根据ASTME1820标准计算得到裂纹扩展J-R阻力曲线。通过 0. 2mm纯化线的方法确定材料的断裂初性（0. 2mm纯化线与J-R阻力曲线的交点所对应的纵 坐标即为材料的断裂初性）。 阳0巧]举例：
[0026] (1)选用核电压力容器材料A508钢，根据ASTME1820标准，选用厚度B= 16mm、 高度W= 2B= 32mm，裂纹相对深度a/W= 0. 5 (a为裂纹深度）的S点弯曲试样作为标准试 样，试样尺寸及加载示意图如图1所示。
[0027] (2)通过实验测定的A508钢的真应力-真应变曲线如图2所示，该材料的弹性模 量E为202410MPa，泊松比V为0. 3。按ASTME1820标准，用标准试样实验测定的A508钢 的室溫下的裂纹扩展阻力曲线，即J-R阻力曲线如图3所示。
[0028] (3)对标准试样建立有限元模型，用嵌含有GTN损伤模型的ABA卵S软件模拟计算 其裂纹扩展阻力曲线，即J-R阻力曲线。
[0029] (4)调整GTN模型参数，计算J-R阻力曲线，使计算的J-R阻力曲线与实验测得 的J-R阻力曲线一致，如图3所示。则对应的GTN模型参数，即为标定的A508钢的GTN模 型参数，如表1所示A508钢的GTN模型参数。
阳03引通过改变裂纹深度a/W(a/W= 0. 3和0. 7)来改变拘束；对运两个不同拘束的试 样建立有限元力学模型，将实验测量的材料真应力-真应变曲线、弹性模量E和泊松比V， 及用标定完成的材料GTN模型参数输入模型，模拟裂纹的起裂和扩展过程。模拟完成后，可 W得到试样的载荷-位移曲线及不同加载步时的裂纹扩展量A曰，并根据ASTME1820标准 计算得到裂纹扩展J-R阻力曲线，通过0. 2mm纯化线的方法确定材料的断裂初性，如图4所 示。为验证结果的正确性，将实验测得的a/W= 0. 3和0. 7时材料的J-R阻力曲线一并作 入图4中。观察可知：有限元模拟得到的J-R阻力曲线及断裂初性与实验得到的J-R阻力 曲线及断裂初性吻合良好。
【主权项】
1. 一种基于有限元的材料断裂韧性确定方法，其特征在于，包括GTN模型参数的标定 和不同拘束试样断裂韧性的确定两个步骤， GTN模型参数的标定步骤如下： 通过实验和数值计算相结合的方法标定：塑性本构参数Ql、q2、q 3;初始孔洞体积分数 fc;孔洞形核参数：平均形核应变e N、形核标准偏差Sn、形核孔洞体积分数fN;孔洞聚合时 的临界体积分数，断裂时的临界孔洞体积分数f F九个参数： 首先，根据ASTM E1820标准，选择一定尺寸的试样作为标准试样；然后，通过实验的方 法测定材料的真应力-真应变曲线，及标准试样的裂纹扩展阻力曲线，即J-R阻力曲线；接 下来，对标准试样建立有限元模型，用嵌含有GTN损伤模型的ABAQUS软件模拟计算试样的 J-R阻力曲线；调整GTN模型参数f。，f N，匕和f F计算J-R阻力曲线，使计算的J-R阻力曲线 与实验测得的J-R阻力曲线一致，则对应的GTN模型参数即为标定的该材料的GTN模型参 数； 不同拘束试样断裂韧性的确定： 用ABAQUS软件对不同拘束条件下需要测量材料断裂韧性的试样建立有限元力学模 型，将实验测量的材料真应力-真应变曲线和上述标定的材料GTN模型参数输入模型，模拟 裂纹的起裂和扩展过程，模拟完成后，计算得到试样的载荷-位移曲线及不同加载步时的 裂纹扩展量Aa，并根据ASTM E1820标准计算得到裂纹扩展J-R阻力曲线，通过0.2mm钝化 线的方法确定材料的断裂韧性，0. 2mm钝化线与J-R阻力曲线的交点所对应的纵坐标即为 材料的断裂韧性。
【专利摘要】本发明涉及一种基于有限元的材料断裂韧性确定方法，先进行GTN模型的九个参数的标定，通过实验和数值计算相结合进行标定，然后对不同拘束试样断裂韧性的确定：用ABAQUS软件对不同拘束条件下需要测量材料断裂韧性的试样建立有限元力学模型，模拟裂纹的起裂和扩展过程后，计算得到试样的载荷-位移曲线及不同加载步时的裂纹扩展量Δa，并根据ASTM？E1820标准计算得到裂纹扩展J-R阻力曲线，通过0.2mm钝化线的方法确定材料的断裂韧性。可通过有限元数值模拟获得不同拘束条件下材料的断裂韧性，实现断裂韧性的测定及结构完整性评定。
【IPC分类】G01N3/08
【公开号】CN105115821
【申请号】CN201510560592
【发明人】杨杰
【申请人】上海理工大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年9月6日