3d裂紋起裂位置的預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種評定結(jié)構(gòu)完整性的方法，具體涉及一種三維(3D)裂紋起裂位置的 預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在實(shí)際結(jié)構(gòu)的制造和使用過程中，總會(huì)不可避免的產(chǎn)生3D裂紋。3D裂紋一旦產(chǎn)生， 將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的使用壽命。為了避免事故的發(fā)生，在發(fā)現(xiàn)3D裂紋后，需要對裂紋進(jìn)行結(jié)構(gòu) 完整性評定與跟蹤監(jiān)測，這就需要對3D裂紋的起裂位置(最危險(xiǎn)位置)進(jìn)行預(yù)測。3D裂紋的 形狀一般用半橢圓描述。
[0003] -般而言，3D裂紋的J積分最大處斷裂驅(qū)動(dòng)力最大，所以在工程實(shí)踐中，一般選用J 積分最大處作為最危險(xiǎn)位置進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。然而，3D裂紋的起裂不僅和驅(qū)動(dòng)力有關(guān)，還和3D 裂紋的斷裂阻力有關(guān)。大量實(shí)驗(yàn)和研究表明，裂紋的斷裂阻力受試樣/結(jié)構(gòu)幾何、裂紋尺寸 和加載方式等因素的影響，這種影響通常被稱為"拘束效應(yīng)"，拘束的增加導(dǎo)致材料斷裂阻 力的降低。截至目前，仍未有一種簡單的方法在預(yù)測3D裂紋的起裂位置時(shí)納入拘束效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決上述課題而進(jìn)行的，目的在于提供一種納入拘束效應(yīng)的3D裂紋 起裂位置的預(yù)測方法，該方法綜合考慮裂紋驅(qū)動(dòng)力與斷裂阻力。
[0005] 本發(fā)明提供了一種3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法，具有這樣的特征，包括如下步驟：
[0006] (1)通過ABAQUS等有限元軟件針對含裂紋的結(jié)構(gòu)建立有限元模型，對有限元模型 的3D裂紋的不同位置處的J積分進(jìn)行模擬計(jì)算，其中J積分為彈塑性斷裂力學(xué)中一個(gè)與路徑 無關(guān)的積分;同時(shí)，針對J積分引入?yún)?shù)，為材料或結(jié)構(gòu)的斷裂韌性；
[0007] (2)對有限元模型的3D裂紋的不同位置處的
進(jìn)行計(jì)算，AP = ApEEQ/Aref，
[0008] 其中，APS描述拘束效應(yīng)的拘束參數(shù)，Apeeq為等效塑性應(yīng)變(PEEQ)等值線所圍繞區(qū) 域的面積，A ref為Jref下PEEQ等值線所圍繞區(qū)域的面積；
[0009] (3)對有限元模型的3D裂紋前沿不同位置處的
進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到的
的最大值處為3D裂紋的起裂位置。
[0010]在本發(fā)明提供的3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中，還可以具有這樣的特征:其中，同 一材料的Jrrf、Araf均設(shè)置為常數(shù)1。
[0011] 在本發(fā)明提供的3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中，還可以具有這樣的特征:其中，將 3D裂紋近似為半橢圓形，并根據(jù)裂紋結(jié)構(gòu)對稱性，選取二分之一或四分之一的3D裂紋結(jié)構(gòu) 建立有限元模型。
[0012] 發(fā)明的作用和效果
[0013] 本發(fā)明所涉及的3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法，因?yàn)樵陬A(yù)測裂紋的起裂位置時(shí)已納 入拘束效應(yīng)（即考慮了裂紋的尺寸與實(shí)際工況的影響），所以，本發(fā)明所涉及的3D裂紋起裂 位置的預(yù)測方法可以準(zhǔn)確的評定3D裂紋起裂位置。本發(fā)明提供的方法簡單、成本低，便于工 程實(shí)踐中應(yīng)用，可在實(shí)際測量中準(zhǔn)確的預(yù)測3D裂紋起裂位置，為下一步結(jié)構(gòu)完整性評定準(zhǔn) 確地提供依據(jù)。
【附圖說明】
[0014] 圖1(a)是本發(fā)明的實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中板結(jié)構(gòu)的拉伸圖，圖1(b) 是本發(fā)明的實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中板結(jié)構(gòu)的內(nèi)部裂紋；
[0015] 圖2(a)是本發(fā)明的實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中建立的有限元模型，圖2 (b) 是本發(fā)明的實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中有限元模型的裂紋面劃分網(wǎng)格，圖2 (c) 是本發(fā)明的實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中有限元模型圖的裂尖部分c的局部網(wǎng) 格放大圖；
[0016] 圖3(a)是本發(fā)明的比較例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中沿裂紋前沿的計(jì)算得到 的J積分分布圖，圖3(b)是本發(fā)明的實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中沿裂紋前沿的計(jì) 算得到的J積分分布圖；
[0017] 圖4是本發(fā)明的實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中沿裂紋前沿測出的拘束參數(shù) 的分布；以及
[0018] 圖5是本發(fā)明的實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中測得的納入拘束效應(yīng)后裂紋 的起裂位置。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，以下實(shí) 施例結(jié)合附圖對本發(fā)明3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法作具體闡述。
[0020] 圖1(a)是本實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中板結(jié)構(gòu)的拉伸圖，圖1(b)是本實(shí) 施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中板結(jié)構(gòu)的內(nèi)部裂紋。
[0021] 如圖1所示，本實(shí)施例以板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。3D裂紋的材料選用D6AC鋼。a、c分別為半 橢圓裂紋的短、長半軸，Φ為過裂紋周線上任一點(diǎn)的徑向線與長軸間的夾角；t為板結(jié)構(gòu)的 厚度，W為板結(jié)構(gòu)的寬度;S為拉伸載荷。
[0022] 圖2(a)是本實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中建立的有限元模型，圖2(b)是本 實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中有限元模型的裂紋面劃分網(wǎng)格，圖2(c)是本實(shí)施例3D 裂紋起裂位置的預(yù)測方法中有限元模型圖的裂尖部分c的局部網(wǎng)格放大圖。
[0023] 如圖2所示，采用ABAQUS/Standard軟件針對含3D裂紋的板結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，根據(jù)3D 裂紋的對稱性，將含裂紋的板結(jié)構(gòu)均分成四份，選取其中一份板結(jié)構(gòu)建立有限元模型，裂紋 前端采用較細(xì)的網(wǎng)格劃分。
[0024]圖3(a)是比較例中3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中沿裂紋前沿的計(jì)算得到的J積分 分布圖，圖3(b)是本實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中沿裂紋前沿的計(jì)算得到的J積分 分布圖。
[0025] 圖3(a)中，比較例中裂紋深度a/t = 0.65,形狀比a/c = 0.61，拉伸載荷S = 1006.3MPa，現(xiàn)有方法不納入拘束效應(yīng)預(yù)測的裂紋起裂位置為2 Φ Λ = 〇. 30，與實(shí)際測量的 裂紋起裂位置2 Φ Λ = 0.34相差0.04弧度即2.29度，相差較小。
[0026] 可在本實(shí)施例（圖3(b))中，裂紋深度a/t = 0.19,形狀比a/c = 0.76,拉伸載荷S = 1300.8MPa，現(xiàn)有方法不納入拘束效應(yīng)預(yù)測的裂紋起裂位置為2 Φ Λ= 1，與實(shí)際測量位置2 (6/^ = 0.68相差〇.32弧度即18.33度，相差較大，如果在實(shí)際工程中很可能會(huì)埋下巨大的安 全隱患。
[0027] 圖4是本實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中沿裂紋前沿測出的拘束參數(shù)的分 布;圖5是本實(shí)施例3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法中測得的納入拘束效應(yīng)后裂紋的起裂位置。
[0028] 如圖4和圖5所示，為減小預(yù)測值與實(shí)際測量的誤差，本實(shí)施例采用以下步驟：
[0029] (1)通過ABAQUS軟件針對含裂紋的結(jié)構(gòu)建立有限元模型，對有限元模型的3D裂紋 的不同位置處的J積分進(jìn)行模擬計(jì)算，其中J積分為彈塑性斷裂力學(xué)中一個(gè)與路徑無關(guān)的積 分;同時(shí)，針對J積分引入Jref參數(shù)，Jref為材料或結(jié)構(gòu)的斷裂韌性；
[0030] (2)對有限元模型的3D裂紋的不同位置處的
進(jìn)行計(jì)算，AP = APEEQ/Aref，
[0031] 其中，APS描述拘束效應(yīng)的拘束參數(shù)，Apeeq為等效塑性應(yīng)變(PEEQ)等值線所圍繞區(qū) 域的面積，A ref為Jref下PEEQ等值線所圍繞區(qū)域的面積；
[0032] (3)對有限元模型的3D裂紋前沿不同位置處
：進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到的
的最大值處為3D裂紋的起裂位置。
[0033] 通過本實(shí)施例的方法計(jì)算預(yù)測的裂紋起裂位置為2 Φ Αι = 〇.6,與實(shí)際測量位置2 (6/^ = 0.68相差0.08弧度即4.58度，預(yù)測結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果相差較小，比之現(xiàn)有的方法 大幅度的提高了精準(zhǔn)度。本實(shí)施例中，引入Jrrf與Arrf參數(shù)的目的是消除量綱。因?yàn)橥徊牧?而言，Jrrf、A ref為一個(gè)定量。為簡化計(jì)算，可將同一材料的Jref與Aref參數(shù)均作為常數(shù)1，且不 影響預(yù)測結(jié)果。
[0034]實(shí)施例的作用與效果
[0035]本發(fā)明所涉及的3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法，因?yàn)樵陬A(yù)測裂紋的起裂位置時(shí)已納 入拘束效應(yīng)（即考慮了裂紋的尺寸與實(shí)際工況的影響），所以，本發(fā)明所涉及的3D裂紋起裂 位置的預(yù)測方法可以準(zhǔn)確的評定3D裂紋起裂位置。本發(fā)明提供的方法簡單、成本低，便于工 程實(shí)踐中應(yīng)用，可在實(shí)際測量中準(zhǔn)確的預(yù)測3D裂紋起裂位置，為下一步結(jié)構(gòu)完整性評定準(zhǔn) 確地提供依據(jù)。
[0036]以上實(shí)施例僅為本發(fā)明構(gòu)思下的基本說明，不對本發(fā)明進(jìn)行限制。而依據(jù)本發(fā)明 的技術(shù)方案所作的任何等效變換，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法，用于預(yù)測結(jié)構(gòu)中不規(guī)則3D裂紋的起裂位置，其特 征在于，包括如下步驟： (1) 通過ABAQUS有限元軟件針對含裂紋的結(jié)構(gòu)建立有限元模型，對所述有限元模型的 3D裂紋的不同位置處的J積分進(jìn)行模擬計(jì)算，其中J積分為彈塑性斷裂力學(xué)中一個(gè)與路徑無 關(guān)的積分;同時(shí)，針對J積分引入Jref參數(shù)，Jref為材料或所述結(jié)構(gòu)的斷裂初性； (2) 對有限元模型的3D裂紋的不同位置處的進(jìn)行計(jì)算，Ap=Ape即/Aref， 其中，Ap為描述拘束效應(yīng)的拘束參數(shù)，Apeeq為等效塑性應(yīng)變(PEEQ)等值線所圍繞區(qū)域的 面積，Aref為Jref下陽EQ等值線所圍繞區(qū)域的面積； (3) 對有限元模型的3D裂紋前沿不同位置處的進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到的所述的最大值處為所述3D裂紋的起裂位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法，其特征在于： 其中，同一材料的Jref、Are姆設(shè)置為常數(shù)1。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法，其特征在于： 其中，將所述3D裂紋近似為半楠圓形，并根據(jù)裂紋的結(jié)構(gòu)對稱性，選取二分之一或四分 之一的3D裂紋結(jié)構(gòu)建立所述有限元模型。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法。因?yàn)樵陬A(yù)測裂紋的起裂位置時(shí)已納入拘束效應(yīng)(即考慮了裂紋的尺寸與實(shí)際工況的影響)，所以，本發(fā)明所涉及的3D裂紋起裂位置的預(yù)測方法可以準(zhǔn)確的評定3D裂紋起裂位置。本發(fā)明提供的方法簡單、成本低，便于工程實(shí)踐中應(yīng)用，可在實(shí)際測量中準(zhǔn)確的預(yù)測3D裂紋起裂位置，為下一步結(jié)構(gòu)完整性評定準(zhǔn)確地提供依據(jù)。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN105574282
【申請?zhí)枴緾N201510988163
【發(fā)明人】楊杰
【申請人】上海理工大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月24日