一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法及系统与流程

本发明属于金属材料断裂行为预测，具体涉及一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法及系统。

背景技术：

1、金属材料的断裂预测对工程材料的设计和应用有着巨大的指导价值。在断裂预测方法中，应变能密度方法是缺口件与非缺口件在工程结构件中评估静态和疲劳断裂行为的很有效的方法，由于其能够同时考虑到应力和应变对断裂的影响，基于应变能为基础的方法开始被深入研究与探究。

2、目前，针对裂纹尖端开裂预测方法包括：基于应用应变能密度理论预测复合型裂纹长大与扩展方向的方法；或者是采用预测单一型与复合型疲劳裂纹扩展模型；还有sih提出的s-准则被应用到在复合型加载条件下对t型杆和管的周向裂纹上的求解裂纹萌生与裂纹扩展方向。

3、但是，由于缺口件和裂纹尖端的实际弹塑性应变能密度分布很难表征，目前针对于线弹性断裂力学框架中裂纹尖端的弹性应力场理论的解析式无法直接应用到韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测中，会造成较大误差。而目前针对于弹塑性断裂力学框架中，裂纹尖端的弹塑性应力场hrr奇异场(hutchinson，rice,rosengren)理论求解很复杂，很难快速方便用于工程实际中。因此，目前还没有针对于韧性金属结构件裂纹尖端的应变能密度分布准确表征方法，也无法对韧性金属结构件进行准确的断裂预测。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法及系统，能够对韧性金属结构件裂纹尖端的应变能密度分布实现准确表征，并为裂纹尖端的起裂判据验证和损伤容限的疲劳寿命预测进行准确定量表征。

2、本发明是通过以下技术方案来实现：

3、一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法，包括如下步骤：

4、基于dic技术获取待测韧性金属材料裂纹尖端的应变场；

5、基于单轴拉伸试验构建待测韧性金属材料的本构模型；

6、基于塑性变形理论和牛顿拉普森迭代算法，根据应变场和本构模型计算获取待测韧性金属材料裂纹尖端的应力场；

7、根据获取的应力场和应变场计算待测韧性金属材料裂纹尖端的弹性应变能密度场和塑性应变能密度场，获取临界塑性应变能；

8、根据临界塑性应变能对待测韧性金属材料裂纹尖端的开裂进行预测。

9、优选地，所述基于dic技术获取待测韧性金属材料裂纹尖端的应变场，具体包括如下步骤：

10、制备断裂力学试样并对断裂力学试样作表面处理；

11、将断裂力学试样装载至电子万能拉伸机上，调试dic试验系统后启动，采用dic试验系统的拍摄装置采集断裂力学试样照片；

12、利用dic试验系统的软件处理装置计算获取断裂力学试样照片的位移场和应变场。

13、优选地，所述制备断裂力学试样包括：

14、采用紧凑拉伸试样或者三点弯试样进行制备。

15、优选地，所述对断裂力学试样作表面处理包括：

16、在断裂力学试样的表面均匀喷射dic试验白色用漆；

17、在断裂力学试样的表面均匀喷洒dic试验黑色散斑。

18、优选地，所述调试dic试验系统包括调试dic试验系统的拍摄相机角度、灯照射角度以及拍摄相机与断裂力学试样的距离。

19、优选地，所述基于单轴拉伸试验构建待测韧性金属材料的本构模型包括：

20、基于单轴拉伸试验获取待测韧性金属材料的应力应变曲线；

21、采用ramberg–osgood模型对应力应变曲线进行拟合获取材料相关参数值。

22、优选地，所述基于单轴拉伸试验获取待测韧性金属材料的应力应变曲线包括：

23、采用单轴拉伸试验采集待测韧性金属材料的工程应力应变数据和屈服应力；

24、对工程应力应变数据进行换算获得待测韧性金属材料的应力应变曲线，其中，换算公式为：

25、σ＝s(1+e)

26、ε＝ln(1+e)

27、式中，s表示为工程应力，e表示为工程应变，σ表示为换算应力，ε表示为换算应变。

28、优选地，所述弹性应变能密度场的模型表达式为：

29、

30、式中，ωe表示为弹性应变能密度场，e表示为弹性模量，σe表示为等效应力，ν表示为泊松比，σx、σy分别表示为该平面的正应力，τxy表示为该平面的剪应力。

31、优选地，所述塑性应变能密度场的模型表达式为：

32、

33、式中，ωp表示为塑性应变能密度场，α和n分别表示为与待测韧性金属材料相关的常数，e表示为弹性模量，σe表示为等效应力。

34、一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测系统，包括：

35、应变场获取模块，用于基于dic技术获取待测韧性金属材料裂纹尖端的应变场；

36、本构模型构建模块，用于基于单轴拉伸试验构建待测韧性金属材料的本构模型；

37、应力场计算模块，用于基于塑性变形理论和牛顿拉普森迭代算法，根据应变场和本构模型计算获取待测韧性金属材料裂纹尖端的应力场；

38、应变能密度场计算模块，用于根据获取的应力场和应变场计算待测韧性金属材料裂纹尖端的弹性应变能密度场和塑性应变能密度场，获取临界塑性应变能；

39、开裂预测模块，用于根据临界塑性应变能对待测韧性金属材料裂纹尖端的开裂进行预测。

40、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

41、本发明提供一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法，针对韧性金属材料在存在裂纹时，很难快速和准确的求解裂纹尖端的塑性应变能密度场的问题，设计一种基于数字图像相关试验法(dic试验技术)的裂纹尖端能量密度分布动态求解的方法，具体为通过基于dic(数字图像相关)试验技术获取韧性金属裂纹尖端的位移场和应变场，dic试验技术能够精准捕捉待测韧性金属试样表面从开始到断裂的不同时刻的裂纹尖端应变场，提高应变场计算精度；同时采用单轴拉伸试验获得待测韧性金属材料的本构模型，经过拟合能够提升实际工程数据转化的准确性，获得精度更高的材料相关常数；进而结合塑性变形理论和牛顿拉普森迭代算法将裂纹尖端计算韧性金属裂纹尖端的应力场，经过matlab编译并计算牛顿拉普森迭代解非线性方程组程序，能够获取到从开始到断裂任意时刻裂纹尖端区域的应变场；最后结合裂纹尖端应力场和应变场计算弹性应变能密度场和塑性应变能密度场，从而获取临界塑性应变能作为开裂判据。本发明所述的裂纹尖端开裂预测方法能够将韧性金属结构件裂纹尖端的弹塑性应力场和弹塑性应变能密度分布准确表征，降低应变能密度方法求解的复杂程度，简化求解过程，提升求解精度和速度，方便将应变能密度方法用于指导材料的裂纹尖端的起裂判据验证和实际工程应用中损伤容限的定量表征，同时为预测裂纹扩展提供了关键性基础数据，能够更好地指导工业结构件材料的设计和开裂寿命计算。

技术特征：

1.一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法，其特征在于，所述基于dic技术获取待测韧性金属材料裂纹尖端的应变场，具体包括如下步骤：

3.根据权利要求2所述的一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法，其特征在于，所述制备断裂力学试样包括：

4.根据权利要求2所述的一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法，其特征在于，所述对断裂力学试样作表面处理包括：

5.根据权利要求2所述的一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法，其特征在于，所述调试dic试验系统包括调试dic试验系统的拍摄相机角度、灯照射角度以及拍摄相机与断裂力学试样的距离。

6.根据权利要求1所述的一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法，其特征在于，所述基于单轴拉伸试验构建待测韧性金属材料的本构模型包括：

7.根据权利要求6所述的一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法，其特征在于，所述基于单轴拉伸试验获取待测韧性金属材料的应力应变曲线包括：

8.根据权利要求1所述的一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法，其特征在于，所述弹性应变能密度场的模型表达式为：

9.根据权利要求1所述的一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法，其特征在于，所述塑性应变能密度场的模型表达式为：

10.一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测系统，其特征在于，基于权利要求1-9任一项的裂纹尖端开裂预测方法，包括：

技术总结
本发明公开了一种用于韧性金属材料的裂纹尖端开裂预测方法及系统，能够对韧性金属结构件裂纹尖端的应变能密度分布实现准确表征，并为裂纹尖端的起裂判据验证和损伤容限的疲劳寿命预测进行准确定量表征。包括如下步骤：基于DIC技术获取待测韧性金属材料裂纹尖端的应变场；基于单轴拉伸试验构建待测韧性金属材料的本构模型；基于塑性变形理论和牛顿拉普森迭代算法，根据应变场和本构模型计算获取待测韧性金属材料裂纹尖端的应力场；根据获取的应力场和应变场计算待测韧性金属材料裂纹尖端的弹性应变能密度场和塑性应变能密度场，获取临界塑性应变能；根据临界塑性应变能对待测韧性金属材料裂纹尖端的开裂进行预测。

技术研发人员：曹俊,马卫锋,王珂,任俊杰,聂海亮,党伟,姚添,梁晓斌
受保护的技术使用者：中国石油天然气集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16