一种实际含裂纹结构断裂韧性的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种结构性能评定方法，特别涉及一种实际含裂纹结构断裂韧性的确 定方法。
【背景技术】
[0002] 在目前的结构完整性评定中，一般用深裂纹高拘束的标准试样测得的材料断裂韧 性下限值对实际结构的安全性进行评定。然而，大量实验和研究表明，材料的断裂韧性受试 样/结构几何、裂纹尺寸和加载方式等因素的影响，这种影响通常被称为"拘束效应"，拘束 的增加导致材料断裂韧性的降低。在实际压力容器、管线等结构中，缺陷一般为低拘束的表 面浅裂纹，如用高拘束试样测得的断裂韧性下限值评定实际结构中低拘束的裂纹，将产生 过于保守的结果；反之，用其评定实际结构中个别拘束很高的裂纹，可能产生非保守的结 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拘束 效应，准确测量不同结构的断裂韧性。
[0003] 在目前的结构完整性评定中，往往寻找与实际结构拘束度相匹配的实验室试样， 通过测量实验室试样断裂韧性的方法来确定结构的断裂韧性。这种方法不能直接对结构的 断裂韧性进行测量，且未必能找到拘束度相匹配的实验室试样。
【发明内容】
[0004] 本发明是针对目前的结构完整性评定中确定结构的断裂韧性困难的问题，提出了 一种确定实际含裂纹结构断裂韧性的方法。可准确获得不同含裂纹结构的断裂韧性，为准 确的结构完整性评定提供技术基础。
[0005] 本发明的技术方案为:一种实际含裂纹结构断裂韧性的确定方法，具体包括如下 步骤：
[0006] 1)结构中所用材料的断裂韧性JC与统一拘束参数~关联线的确定：
[0007] 首先，根据ASTM E1820标准，选择一定尺寸的试样作为标准试样，再选择至少一组 非标准尺寸试样，对选择的试样进行断裂力学实验，测量试样的断裂韧性Jc;
[0008] 然后，对所选试样建立有限元模型，计算不同试样断裂韧性所对应的裂纹尖端 PEEQ = 0 · 2或0 · 3等值线所围面积APEEQ;
[0009] 最后，选用上述标准试样测量的断裂韧性上及其对应的等值线所围面积APEEQ作为 参考断裂韧性值Jrrf和参考面积值Arrf，以不同试样无量纲化后的断裂韧性J c/Jre3f为纵坐 标，以不同试样无量纲化后的等值线所围面积APEEQ/Arrf的平方根
为横坐标作图，AP = ApEEQ/Aref，即可得到
[0011] 2)实际工况下含裂纹结构中J积分与统一拘束参数AP关联线的确定：
[0012] 建立实际工况下含裂纹结构的有限元模型，计算实际结构中裂纹尖端J积分与 PEEQ = 0.2或0.3等值线所围面积Apeeq，以上述中所选Jref与Aref作为参考对至少两组J积分 与对应的APEEQ进行无量纲化，得到实际结构中裂纹尖端J积分与PEEQ等值线所围面积之间
[0013] 3)实际结构断裂韧性的确定：
[0014] 在同一个坐标系中绘制两条直线 其交点即为结构失效 点，交点的纵坐标乘以Jrrf所得数值即为实际结构的断裂韧性。
[0015] 本发明的有益效果在于:本发明确定实际含裂纹结构断裂韧性的方法，通过有限 元模型，实现实际含裂纹结构断裂韧性的确定。其成本低、简单可靠，便于工程实践中应用， 为准确的结构完整性评定提供依据。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明举例中三点弯曲试样的尺寸及加载示意图；
[0018] 图3为本发明管道的几何尺寸与裂纹尺寸示意图；
[0019] 图4为本发明实际结构断裂韧性的确定示意图。
【具体实施方式】
[0020] 确定实际含裂纹结构断裂韧性的方法具体步骤包括：
[0021] 1、结构中所用材料的断裂韧性jc与统一拘束参数~关联线的确定：
[0022] (1)根据ASTM E1820标准，选择一定尺寸的试样作为标准试样，再选择至少一组非 标准尺寸试样（用更多试样可得到更准确的结果），对选择的试样进行断裂力学实验，测量 试样的断裂韧性Jc。
[0023] (2)对所选试样建立有限元模型，计算不同试样断裂韧性所对应的裂纹尖端PEEQ =0.2 (或0.3)等值线所围面积Apeeq。
[0024] (3)选用上述标准试样测量的断裂韧性其对应的等值线所围面积APEEQ作为参 考断裂韧性值Jrrf和参考面积值Arrf，以不同试样无量纲化后的断裂韧性Jc/Jrrf为纵坐标， 以不同试样无量纲化后的等值线所围面积A PEEQ/Arrf (即统一拘束参数AP，AP = APEEQ/Arrf)的
为横坐标作图，即可得到
[0026] 2、实际工况下含裂纹结构中J积分与统一拘束参数AP关联线的确定
[0027] 建立实际工况下含裂纹结构的有限元模型，计算实际结构中裂纹尖端J积分与 PEEQ = 0.2 (或0.3)等值线所围面积Apeeq。以上述中所选Jref与Aref作为参考对至少两组J积 分与对应的Apeeq进行无量纲化，得到实际结构中裂纹尖端J积分与PEEQ等值线所围面积之
[0028] 3、实际结构断裂韧性的确定：
[0029] 在同一个坐标系中绘制两条直线：
其交点即为结构失效 点，交点的纵坐标乘以Jrrf所得数值即为实际结构的断裂韧性。
[0030] 举例：
[0031]结构中所用材料的断裂韧性Jc与统一拘束参数~关联线的确定：
[0032] (1)选用核电压力容器材料A508钢，根据ASTM E1820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)的三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。选择非标准试样的尺寸为:B = 16mm、高度W = 2B = 32mm，裂纹 相对深度a/W = 0.3。对两组试样分别进行断裂韧性实验，获得材料在不同尺寸下的断裂韧 性 Jci，JC2。
[0033] (2)对所选试样建立有限元模型，计算两组试样断裂韧性所对应的裂纹尖端PEEQ =0.2等值线所围面积Apeeqi，Apeeq2。
[0034] (3)选用a/W=0.5标准试样测量的断裂韧性Jm及其对应的等值线所围面积APEEQ1 作为参考断裂韧性值Jrrf和参考面积值Arrf，以不同试样无量纲化后的断裂韧性JC1/jre3f， Jc2/Jref为纵坐标，以不同试样的统一拘束参数Apl (即ApEEQl/Aref )，AP2(即APEEQ2/Aref )的平方 根为横坐标作图，
关联线，如图2所示。
[0035] 实际工况下含裂纹结构J积分与统一拘束参数AP关联线的确定：
[0036] 实际结构以管道为例。假设管道中有一椭圆形裂纹，管道尺寸及裂纹尺寸如图3所 示。其中a/t = 0.2，a/c = 0.2(a为裂纹深度，2c为裂纹长度，t为管道厚度）。建立实际工况下 管道的有限元模型，计算裂纹尖端J积分与等值线所围面积A PEEQ。以选用的Jrrf与Arrf作为参 考对至少两组J积分与对应的APEEQ进行无量纲化，得到管道中裂纹尖端J积分与PEEQ等值线 所围面积之间的关联线
，.如图4中红色线所示。
[0037]实际结构断裂韧性的确定：
[0038]在同一个坐标系中绘制两条直线：
其交点的纵坐标 乘以所得数值即为管道的断裂韧性，如图4所示。
【主权项】
1. 一种实际含裂纹结构断裂韧性的确定方法，其特征在于，具体包括如下步骤： 1) 结构中所用材料的断裂韧性JC与统一拘束参数~关联线的确定： 首先，根据ASTM E1820标准，选择一定尺寸的试样作为标准试样，再选择至少一组非标 准尺寸试样，对选择的试样进行断裂力学实验，测量试样的断裂韧性Jc; 然后，对所选试样建立有限元模型，计算不同试样断裂韧性所对应的裂纹尖端PEEQ = 0.2或0.3等值线所围面积Apeeq ; 最后，选用上述标准试样测量的断裂韧性JoS其对应的等值线所围面积APEE(^t为参考 断裂韧性值Jrrf和参考面积值Arrf，以不同试样无量纲化后的断裂韧性Jc/Jrrf为纵坐标，以 不同试样无量纲化后的等值线所围面积APEEQ/Arrf的平方根_^:为横坐标作图，Α Ρ = Α_/ Aref，即可得到关联线； 2) 实际工况下含裂纹结构中J积分与统一拘束参数AP关联线的确定： 建立实际工况下含裂纹结构的有限元模型，计算实际结构中裂纹尖端J积分与PEEQ = 0.2或0.3等值线所围面积Apeeq，以上述中所选Jref与Aref作为参考对至少两组J积分与对应 的Apeeq进行无量纲化，得到实际结构中裂纹尖端J积分与PEEQ等值线所围面积之间的关联 线：；3) 实际结构断裂韧性的确定： 在同一个坐标系中绘制两条直线： 其交点即为结构失效点， 交点的纵坐标乘以Jrrf所得数值即为实际结构的断裂韧性。
【专利摘要】本发明涉及一种确定实际含裂纹结构断裂韧性的方法。通过先进行结构中所用材料的断裂韧性JC与统一拘束参数Ap关联线的确定，然后进行实际工况下含裂纹结构中J积分与统一拘束参数Ap关联线的确定，最后在同一个坐标系中绘制前两个确定所得两条直线，其交点即为结构失效点，交点的纵坐标乘以参考断裂韧性值所得数值即为实际结构的断裂韧性。本发明通过有限元模型，实现实际含裂纹结构断裂韧性的确定。其成本低、简单可靠，便于工程实践中应用，为准确的结构完整性评定提供依据。
【IPC分类】G01N3/08
【公开号】CN105606448
【申请号】CN201510560593
【发明人】杨杰
【申请人】上海理工大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年9月6日