一种表面裂纹扩展形状的计算方法与流程

本发明涉及一种形状计算方法，特别地涉及一种表面裂纹扩展形状的计算方法。

背景技术：

由于加工因素的影响，在材料或结构表面极易形成微小表面裂纹，工程结构中常出现的穿透裂纹断裂现象主要是由初始的微小表面裂纹逐渐扩展导致的，材料或结构中的表面裂纹在外载荷连续作用下，表面裂纹将呈半椭圆状向前扩展，表面裂纹的出现严重影响着服役材料和结构的工作强度和使用寿命。表面裂纹隐藏在材料或结构内部，采用目前的检测手段可以获得材料或结构外表面的裂纹长度，对于裂纹内部形状及大小获取比较困难。目前对表面裂纹扩展形状预测多基于实验数据和经验，缺少理论的支持。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是从理论角度分析复杂结构的表面裂纹扩展，提供一种表面裂纹扩展形状的计算方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种表面裂纹扩展形状的计算方法，其包括以下步骤：

S1，确定材料或结构形状对裂纹处应力强度因子影响系数；

S2，分别计算表面裂纹表面点与尖点的应力强度因子；

S3，分别计算表面裂纹表面点与尖点的能量释放率；

S4，计算有效能量释放率；

S5，基于能量释放率理论建立函数关系；

S6，求解表面裂纹形状参数a与c的关系，确定表面裂纹扩展过程中的形状变化。

作为优选，所述步骤S1中，确定材料或结构形状对计算表面裂纹应力强度因子的影响系数M_K由表面裂纹所在位置的结构形式确定。

作为优选，所述步骤S2中，分别计算表面裂纹上表面点(C点)与尖点(A点)的应力强度因子K_C和K_A，其中，在计算应力强度因子K_C和K_A时采用下述公式：外载荷在裂纹处产生的I型应力强度因子为：式中：σ_t为拉伸应力，σ_b为弯曲应力，a/c为裂纹纵横比，a/B为裂纹深度比，W为板宽，为表面裂纹参数角，Φ为半椭圆积分，

作为优选，所述的计算方式为：

式中：

作为优选，所述步骤S3中，分别计算表面裂纹上表面点(C点)

与尖点(A点)的能量释放率G_A和G_C；其中，式中，

E为材料弹性模量，υ为泊松比。

作为优选，所述步骤S4中，考虑裂纹扩展过程中的裂纹闭合影响，分别计算表面裂纹上表面点(C点)与尖点(A点)的有效能量释放率G_Aeff和G_Ceff；

式中，U表示裂纹扩展过程中裂纹闭合效应的影响，半椭圆裂纹表面点C处的张开比与尖点A处的张开比比值近似为0.9，因此，表面裂纹研究计算过程中取U_C/U_A＝0.9。

作为优选，所述步骤S5中，基于能量释放率理论，假设表面裂纹上沿各点处能量释放率相等，建立表面裂纹上表面点(C点)与尖点(A点)处能量释放率关系G_Aeff＝G_Ceff。

作为优选，所述步骤S6中，根据所建立的函数关系求解半椭圆表面裂纹参数a与c关系，即可确定表面裂纹扩展过程中的形状变化。

本发明涉及的表面裂纹扩展形状的计算方法从理论角度提出一种表面裂纹扩展形状计算方法，对材料和结构损伤评估提供技术支持。

附图说明

图1是本发明的实施例中涉及的平板的示意图；

图2是本发明涉及的表面裂纹扩展形状的计算方法的步骤示意图；

图3是本发明涉及的表面裂纹扩展形状的计算方法的效果示意图；

图4是本发明涉及的表面裂纹扩展形状的计算方法的效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

图1示出了存在表面裂纹的平板结构的实例，其中，平板结构的厚度为B，板宽W，如图1所示，平板结构内存在的表面裂纹呈半椭圆形状，表面裂纹的深度为a，表面裂纹的表面长度为2c，其中，表面裂纹的最深点称为尖点，记为A点，表面裂纹表面点记为C点。平板结构在外载荷的作用下，其表面裂纹呈半椭圆形并逐渐扩展，但其长短轴之比会随着裂纹深度的变化而变化，本发明涉及的表面裂纹扩展形状计算方法就是从理论上建立半椭圆表面裂纹形状参数a与c的关系，通过检测裂纹表面长度2c，就可以确定表面裂纹深度a，为进行损伤评估提供依据。

如图2所示，图2示出了表面裂纹扩展形状的具体计算方法，其包括以下步骤：

S1，确定材料或结构形状对裂纹处应力强度因子影响系数；

S2，分别计算表面裂纹表面点与尖点的应力强度因子；

S3，分别计算表面裂纹表面点与尖点额能量释放率；

S4，计算有效能量释放率；

S5，基于能量释放率理论建立函数关系；

S6，求解表面裂纹形状参数a与c的关系，确定表面裂纹扩展过程中的形状变化。

下面将具体说明上述各步骤的具体内容，其中，

对于S1，确定材料或结构形状对计算表面裂纹应力强度因子的影响系数M_K；M_K由表面裂纹所在位置的结构形式确定，对于平板内的表面裂纹M_K＝1。

对于S2，分别计算表面裂纹上表面点(C点)与尖点(A点)的应力强度因子K_C和K_A，其中，在计算应力强度因子K_C和K_A时采用下述公式：外载荷在裂纹处产生的I型应力强度因子为：式中：σ_t为所测点位置的拉伸应力，σ_b为所测点位置的弯曲应力，a/c为裂纹纵横比，a/B为裂纹深度比，W为板宽，为表面裂纹参数角，Φ为半椭圆积分，

式中：

对于S3，分别计算表面裂纹上表面点(C点)与尖点(A点)的能量释放率G_A和G_C；其中，式中，E为材料弹性模量，υ为泊松比。

对于S4，考虑裂纹扩展过程中的裂纹闭合影响，分别计算表面裂纹上表面点(C点)与尖点(A点)的有效能量释放率G_Aeff和G_Ceff；

式中，U表示裂纹扩展过程中裂纹闭合效应的影响，由于半椭圆裂纹表面点C处的张开比与尖点A处的张开比比值近似为0.9，因此，表面裂纹研究计算过程中取U_C/U_A＝0.9；

对于S5，基于能量释放率理论，假设表面裂纹上沿各点处能量释放率相等，建立表面裂纹上表面点(C点)与尖点(A点)处能量释放率关系G_Aeff＝G_Ceff；

对于S6根据所建立的函数关系求解半椭圆表面裂纹参数a与c关系，即可确定表面裂纹扩展过程中的形状变化。

在一个具体实施方式中，选取具有表面裂纹的特定平板用以详细说明表面裂纹扩展形状的计算方法的实施效果，其中，平板的结构参数如下：厚20mm，宽60mm，材料为Q345，平板在拉伸载荷作用下的表面裂纹扩展形状变化，通过上述计算方法，计算结果和实施效果如图3和4所示，其中，图4为平板在拉伸作用下，其表面裂纹扩展形状示意图。具体地，表面裂纹在扩展过程中保持半椭圆状向前扩展，由于材料和结构参数的影响，在其扩展过程中半椭圆形状会发生变化，即半椭圆的半长轴之比会发生变化，影响着对含缺陷材料的损伤评估。这种计算方法能够基于能量释放率理论建立包含裂纹形状参数的函数关系，通过求解得到裂纹扩展过程中半椭圆表面裂纹形状参数变化，为对含表面裂纹结构进行损伤评估提供技术支撑。

当然，以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。