考慮加載機器約束影響的金屬單邊裂縫應(yīng)力強度因子的確定方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種考慮加載機器約束影響的金屬單邊裂縫應(yīng)力強度因子的確定方法，包括以下步驟：1）選取試件，實測其高度為W、厚度為B、初始裂縫長度為a0、屈服荷載為P，經(jīng)式（1）得到試件考慮裂縫情況下的名義應(yīng)力σn；2）在單邊裂縫試件的拉伸情況下，經(jīng)式（2）得到幾何影響參數(shù)Y(i)(α)；3）在單邊裂縫試件的純彎情況下，經(jīng)式（3）得到幾何影響參數(shù)Y(ii)(α)；4）將所得σn、Y(i)(α)、Y(ii)(α)代入式（4），得到考慮加載機器約束影響的金屬單邊裂縫應(yīng)力強度因子K。針對試件在試驗機上形成的較為復(fù)雜的復(fù)合受力，本發(fā)明彌補了現(xiàn)有計算方法不足，可解決帶裂縫金屬板材應(yīng)力強度因子確定中存在的問題。
【專利說明】
考慮加載機器約束影響的金屬單邊裂縫應(yīng)力強度因子的確定 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于金屬材料性能檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮加載機器約束影響的 金屬單邊裂縫應(yīng)力強度因子的確定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 反映裂紋尖端彈性應(yīng)力場強弱的物理量稱為應(yīng)力強度因子。在有裂紋構(gòu)件的受力 分析中，關(guān)鍵步驟是計算應(yīng)力強度因子;工程上實用的計算應(yīng)力強度因子的方法，主要都是 從現(xiàn)成的應(yīng)力強度因子手冊中查找計算。目前應(yīng)力強度因子手冊中，對于單邊裂縫拉伸試 樣（the single edge notch test specimen)和單邊裂縫純彎試樣（the pure bending specimen)，分別有其應(yīng)力強度因子計算公式和確定方法。對于單邊裂縫拉伸試樣，要求在 加載過程中，其加載力的作用線隨著試件有效受力面積(試件總面積減去初始裂縫所占面 積）的減小，可不斷移動，即加載力的作用線能夠一直在韌帶長度(試件總高度減去初始裂 縫長度）中心，從而使得被拉伸試樣的有效受力面積上一直保持軸心受拉狀態(tài)。因此，只有 滿足這種受力狀態(tài)的情況下，才可采用目前現(xiàn)有的應(yīng)力強度因子公式對其斷裂韌度進行計 算。
[0003] 然而，對于國內(nèi)實驗室中的拉力試驗機或者萬能試驗機，其機器上下端一般為固 定夾頭，對拉伸試樣端固定很緊，外荷載變化時的加載力作用線一直在試件尺寸中心，而不 能夠一直在韌帶長度中心，從而使得被拉伸試樣形成了偏心受力狀態(tài)。隨著外荷載的增加， 帶裂縫的拉伸金屬板裂縫邊會不斷張開，而由于機器加載端對拉伸試樣端的強力固定作 用，限制了帶裂縫試樣裂縫邊的變形，從而使得在整個拉伸過程中，其裂縫張開口位移很 小，也就是加載機器會對試樣產(chǎn)生一個閉合作用的附加彎矩。加載試樣就形成了較為復(fù)雜 的復(fù)合受力，受到加載外力產(chǎn)生的軸心拉力和彎矩，以及機器加載端強力固定產(chǎn)生的附加 閉合彎矩。而在這種情況下的應(yīng)力強度因子如何確定，成為了目前亟待解決的技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述問題，本發(fā)明提出一種考慮加載機器約束影響的金屬單邊裂縫應(yīng)力強度 因子的確定方法，可解決目前帶裂縫金屬板材應(yīng)力強度因子計算中存在的技術(shù)問題。
[0005] 為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)： 經(jīng)過長期的實踐研究，提出了一種考慮加載機器約束影響的金屬單邊裂縫應(yīng)力強度因 子的確定方法，包括以下步驟： 1)選取試件，實測其高度為r、厚度為從初始裂縫長度為aQ、屈服荷載為P經(jīng)式（1)得到 試件考慮裂縫情況下的名義應(yīng)力
2) 在單邊裂縫試件的拉伸情況下，經(jīng)式(2)得到幾何影響參數(shù)r(i)(
3) 在單邊裂縫試件的純彎情況下，經(jīng)式(3)得到幾何影響參數(shù)r(ii)(
4) 將所得fl、r(i)( 4、r(ii)( 4代入式(4)，得到考慮加載機器約束影響的金屬單邊裂 縫應(yīng)力強度因子心
以上各式中，a為實際應(yīng)力分布影響系數(shù)，理想情況下，若試件與機器加持的非常緊，且 機器產(chǎn)生的閉合彎矩使得試件在整個受力過程中未張開，則A=1.0;而在實際情況下，AS 1， 一般情況下可在0.95-0.85范圍內(nèi)取值，若機器與試件加的非常緊，試件在受力過程中張開 很小，則取0.95，若機器與試件的加緊程度偏弱，則取0.85，也可以建議取0.95.0.90.0.85 三個數(shù)值中的一個；兩縫高比ao/Zf，即初始裂縫長度a Q與試件高度膽比值；％= ；f- a〇。
[0006]以上所用計算公式的原理及推導(dǎo)過程如下： 基于考慮機器加載端約束下的單邊帶裂縫拉伸試件的應(yīng)力分布圖，由力平衡條件可 得：
式中，《in為沿韌帶高度方向上應(yīng)力跌落后的名義應(yīng)力大小； 進一步可得：
以?in =如，私1，根據(jù)試件拉斷后的變形實際情況，禮可在0.95~0.85之間選取， 極限理想情況下可取M . 0;貝1J:
基亍現(xiàn)有計算早辺裂縫試仵的線彈性斷裂力學(xué)理論情況下的應(yīng)力強度因子公式，采用 拉伸情況和純彎情況構(gòu)建本發(fā)明情況下的應(yīng)力強度因子公式： 由應(yīng)力強度因子手冊可知，單邊裂縫試件的拉伸情況：
其中，ffa〇/r，<fp 由應(yīng)力強度因子手冊可知，單邊裂縫試件的純彎情況：
其中，篇mchine為附加彎矩，<?= P/勝； 因此，考慮加載機器約束影響的金屬單邊裂縫應(yīng)力強度因子的情況為：
進一步可得到： 本發(fā)明具有以下積極有益的技術(shù)效果： 針對試件在試驗機上形成復(fù)合受力的情況(加載外力產(chǎn)生的軸心拉力和彎矩，以及機 器加載端強力固定產(chǎn)生的附加閉合彎矩），本發(fā)明彌補了現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計合理，適用 性強，可有效解決目前帶裂縫金屬板材應(yīng)力強度因子確定中存在的技術(shù)難題。
【附圖說明】
[0007] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明，其中： 圖1為實施例所用的拉伸試驗機夾頭； 圖2為實施例拉斷前后鋼板試件示意圖； 圖3為考慮機器加載端約束下的單邊帶裂縫拉伸板的應(yīng)力分布圖。
【具體實施方式】
[0008] 下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚完整的描述。以下實施例中 所涉及的一些步驟或方法，如無特殊說明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法，所涉及的材料如無特別 說明，均為市售材料。
[0009] 實施例1 國內(nèi)實驗室中的拉力試驗機或者萬能試驗機，見圖1，其試件的上下端一般為固定夾 頭，由于機器上下端的強力固定，機器會對拉伸試件產(chǎn)生一個附加彎矩Aachine，因此，如圖3 所示，單邊裂縫的拉伸鋼板實際受力分為兩部分:第一部分為機器對試件的軸向拉力，其又 可分解為一個偏心拉力八作用力過韌帶高度Fa的軸心)和一個彎矩#(P);第二部分為限制 試件大變形而由機器對試件產(chǎn)生的附加彎矩A achine。由于上述兩部分力的疊加，使得單邊 裂縫鋼板在受力過程中，變形很小，如圖2試件拉斷后照片可見。
[0010] 基于上述試驗條件，提出一種考慮加載機器約束影響的金屬單邊裂縫應(yīng)力強度因 子的確定方法，包括以下步驟： 1) 選取試件，實測其高度為I厚度為從初始裂縫長度為ao、屈服荷載為P經(jīng)式（1)得到 試件考慮裂縫情況下的名義應(yīng)力fl; 2) 在單邊裂縫試件的拉伸情況下，經(jīng)式(2)得到幾何影響參數(shù)r(i)( 3) 在單邊裂縫試件的純彎情況下，經(jīng)式(3)得到幾何影響參數(shù)Kii)( 4) 分別將所得fl、r(i)( 4、r(ii)(々代入式(4)，得到考慮加載機器約束影響的金屬單 邊裂縫應(yīng)力強度因子尤
[0011]其中A值反映了試件受力拉伸變形過程中，試驗機由于對鋼板夾持端的強力固 定，從而產(chǎn)生的附加彎矩對軸向力產(chǎn)生應(yīng)力的抵消作用。從歷次試驗中試件拉斷照 片及試件屈服時的照片可見，試件在整個受力過程中，裂縫嘴并未張開很多，則兩部分外力 (i)軸力P與（ii)附加彎矩AUhm疊加后的應(yīng)力分布近似水平，但又不完全水平，因為裂縫 其實有一定微小張開。因此，七0.95, 0.90，0.85。極限情況下七1.0(裂縫完全未張開）。 [0012]采用本發(fā)明所提應(yīng)力強度因子確定方法，采用試件高度r = 40mm，厚度步5mm，初 始裂縫長度ao=4mm，8mm, 12mm, 16mm, 20mm, 24mm, 28mm的Q235B鋼板(安陽鋼鐵股份有 限公司生產(chǎn)）的單邊裂縫拉伸試樣，基于各試樣的試驗實測的屈服荷載P，由理論公式
進行回 歸分析計算，可同時得到無尺寸效應(yīng)的Q235B鋼的材料參數(shù)一一屈服強度<?與斷裂韌度及見 表2。
[0013]表1試驗實測屈服荷載
表2 A取不同數(shù)值得到的Q235B鋼的屈服強度<? 與斷裂韌度價
安陽鋼鐵股份有限公司的給出的該批鋼材的產(chǎn)品質(zhì)量證明書(編號= 20150725130)中 的屈服強度<?=350MPa?？梢姡?、0.95、0.90、0.85時，表2中計算值變化范圍較小，且都與 其安陽鋼鐵股份有限公司的產(chǎn)品質(zhì)量證明書給出的屈服強度吻合良好，特別是娘0.90和 0.85的情況下，與質(zhì)量證明書最為接近。
[0014]由彈塑性力學(xué)理論計算得到的該批Q235B鋼材平面應(yīng)力條件下的斷裂韌度及= 68.83 MPa ? m1/2-83.04 MPa ? m1/2范圍內(nèi)變化?？梢?，當撒1、0.95、0.90、0.85時，表2中計 算值變化范圍較小，且都與其非常接近。特別是娘〇. 95、0.90和0.85的情況下。
[0015]從而證明了本發(fā)明所提應(yīng)力強度因子公式的適用性和合理性。
[0016]對所公開實施例的上述說明，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明，但顯然 所描述的實施例僅為本發(fā)明示意性的部分【具體實施方式】，并非用以限定本發(fā)明的范圍，任 何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明構(gòu)思和原則的前提下所做出的等同變化與修改，均應(yīng) 屬于本發(fā)明保護的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種考慮加載機器約束影響的金屬單邊裂縫應(yīng)力強度因子的確定方法，其特征在 于，包括以下步驟： 1) 選取試件，實測其高度為r、厚度為反初始裂縫長度為ao、屈服荷載為P經(jīng)式（1)得到 試件考慮裂縫情況下的名義應(yīng)力(6:2) 在單邊裂縫試件的拉伸情況下，經(jīng)式(2)得到幾何影響參數(shù)作)（4 :3) 在單邊裂縫試件的純彎情況下，經(jīng)式(3)得到幾何影響參數(shù)r(h(4) 將所得4代入式(4)，得到考慮加載機器約束影響的金屬單邊裂縫應(yīng) 力強度因子A以上各式中，狗實際應(yīng)力分布影響系數(shù)；兩縫高比ao/K/fF r- ao。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬單邊裂縫應(yīng)力強度因子的確定方法，其特征在于：所述A < 1〇3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述金屬單邊裂縫應(yīng)力強度因子的確定方法，其特征在于:所述在 0.95~0.85之間取值。
【文檔編號】G01N3/08GK105928786SQ201610233496
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】管俊峰, 姚賢華, 胡曉智, 白衛(wèi)峰, 謝超鵬, 王強
【申請人】華北水利水電大學(xué)