本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)完整性評定技術(shù)，特別涉及一種實際結(jié)構(gòu)與實驗室試樣間拘束度的匹配方法。

背景技術(shù)：

材料的斷裂韌性受試樣/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)”，拘束的增加會導(dǎo)致材料斷裂韌性的降低。而準確的結(jié)構(gòu)完整性評定是建立在準確的斷裂韌性測量基礎(chǔ)之上的，所以為了進行準確的結(jié)構(gòu)完整性評定，需要對試樣/結(jié)構(gòu)的拘束度進行考察與度量。

在目前的結(jié)構(gòu)完整性評定方法中，一般用實驗室高拘束的標準試樣測得的材料斷裂韌性下限值對實際結(jié)構(gòu)的安全性進行評定。然而，這樣做會帶來很多弊端：當用其評定實際結(jié)構(gòu)中低拘束的裂紋時，將產(chǎn)生過于保守的結(jié)果，造成很大的浪費；反之，當用其評定實際結(jié)構(gòu)中個別拘束很高的裂紋時，又可能產(chǎn)生非保守（不安全）的結(jié)果。因此，只有選擇與實際結(jié)構(gòu)拘束度相匹配的實驗室試樣測得的斷裂韌性值對結(jié)構(gòu)進行評定才能得到準確的評定結(jié)果。換言之，實驗室試樣與實際結(jié)構(gòu)裂尖拘束度的匹配是保證結(jié)構(gòu)完整性評定準確性的關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對如何將實驗室試樣與實際結(jié)構(gòu)的拘束度相匹配的問題，提出了一種實際結(jié)構(gòu)與實驗室試樣間拘束度的匹配方法，其方法簡單，便于工程應(yīng)用，可以實現(xiàn)實際結(jié)構(gòu)與實驗室試樣拘束度匹配，并可進一步用于不同試樣間、實際結(jié)構(gòu)與實驗室試樣間以及不同試樣與結(jié)構(gòu)間拘束度的匹配。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種實際結(jié)構(gòu)與實驗室試樣間拘束度的匹配方法，具體包括如下步驟：

1）待匹配結(jié)構(gòu)根據(jù)自身特點建立有限元模型，并對裂紋尖端j-積分與應(yīng)變場進行數(shù)值計算；

2）選擇等效塑形應(yīng)變值peeq，選擇的peeq的大小僅反映裂尖區(qū)域的應(yīng)變場而不受其他區(qū)域的應(yīng)變場干擾，并計算不同j積分下peeq等值線所圍繞區(qū)域的面積apeeq，得到j(luò)-apeeq曲線；

3）選取匹配試樣，建立有限元模型，并對裂紋尖端j-積分與應(yīng)變場進行數(shù)值計算，為了盡快匹配，依靠經(jīng)驗進行選擇匹配試樣的類型與尺寸；

4）選擇與步驟2）中待匹配結(jié)構(gòu)相同的等效塑形應(yīng)變值，并對匹配試樣有限元模型計算不同j積分下peeq等值線所圍繞區(qū)域的面積apeeq，得到j(luò)-apeeq曲線；

5）將步驟2）和步驟4）所得兩條j-apeeq曲線畫在同一個坐標軸下進行對比；

6）如兩條曲線重合，則說明二者的拘束度相匹配；如不重合，重新選擇匹配試樣，重復(fù)步驟3）～5），直至二者重合為止。

所述待匹配結(jié)構(gòu)為實際結(jié)構(gòu)，考慮實際工況與實際裂紋尺寸，針對實際結(jié)構(gòu)建立有限元模型。

所述步驟3）中匹配試樣為實驗室試樣，選取裂紋長度和厚度，建立有限元模型。

所述待匹配結(jié)構(gòu)和匹配試樣均為實驗室試樣，選取裂紋長度和厚度，建立有限元模型。

所述實驗室試樣包括三點彎曲試樣、緊湊拉伸試樣、單邊裂紋拉伸試樣、中心裂紋拉伸試樣。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明實際結(jié)構(gòu)與實驗室試樣間拘束度的匹配方法，可以將實際結(jié)構(gòu)的拘束度與實驗室試樣相匹配，實現(xiàn)實驗室試樣向?qū)嶋H結(jié)構(gòu)的移植，為準確的結(jié)構(gòu)完整性評定提供技術(shù)基礎(chǔ)。不僅如此，還可實現(xiàn)不同試樣間、實際結(jié)構(gòu)與實驗室試樣間以及不同試樣與結(jié)構(gòu)間拘束度的匹配。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實際結(jié)構(gòu)管道幾何形狀示意圖；

圖2為本發(fā)明實際結(jié)構(gòu)管道的有限元模型圖；

圖3為本發(fā)明實際結(jié)構(gòu)管道的裂尖局部網(wǎng)格圖；

圖4為本發(fā)明實際結(jié)構(gòu)管道的j-apeeq曲線圖；

圖5為本發(fā)明實驗室試樣的有限元模型圖；

圖6為本發(fā)明實驗室試樣的裂尖局部網(wǎng)格圖；

圖7為本發(fā)明實驗室試樣的j-apeeq曲線圖；

圖8為本發(fā)明實際結(jié)構(gòu)管道與實驗室試樣間j-apeeq曲線的比較圖；

圖9為本發(fā)明實際結(jié)構(gòu)管道與實驗室試樣間j-apeeq曲線的比較圖；

圖10為本發(fā)明需匹配試樣的j-apeeq曲線圖；

圖11為本發(fā)明匹配試樣的j-apeeq曲線圖；

圖12為本發(fā)明兩試樣間j-apeeq曲線的比較圖。

具體實施方式

1、實際結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

考慮實際工況與實際裂紋尺寸，針對實際結(jié)構(gòu)建立有限元模型，并對裂紋尖端j-積分與應(yīng)變場進行數(shù)值計算（這里采用abaqus/standard軟件進行計算，但不限于本軟件）。

2、實際結(jié)構(gòu)j-apeeq曲線的計算

選擇合適的等效塑形應(yīng)變值（peeq，peeq的大小以僅反映裂尖區(qū)域的應(yīng)變場而不受其他區(qū)域的應(yīng)變場干擾為宜。在該條件下，peeq的值可任意選擇），并計算不同j積分下peeq等值線所圍繞區(qū)域的面積apeeq，得到j(luò)-apeeq曲線。

3、實驗室試樣有限元模型的建立

選取適當?shù)膶嶒炇以嚇?，建立有限元模型，并對裂紋尖端j-積分與應(yīng)變場進行數(shù)值計算。為了盡快匹配到合適的實驗室試樣，可依靠經(jīng)驗進行選擇試樣的類型和尺寸。

4、實驗室試樣j-apeeq曲線的計算

選擇與實際結(jié)構(gòu)中相同的等效塑形應(yīng)變值，并計算不同j積分下peeq等值線所圍繞區(qū)域的面積apeeq，得到j(luò)-apeeq曲線。

5、實際結(jié)構(gòu)與實驗室試樣j-apeeq曲線的比較

將兩條曲線畫在同一個坐標軸下，如兩條曲線重合，則說明二者的拘束度相匹配；如不重合，重新選擇實驗室試樣，則需要重復(fù)步驟3～5，直至二者重合為止。

本發(fā)明的方式舉例1：實際結(jié)構(gòu)與實驗室試樣間拘束度的匹配：

假設(shè)在核電一回路主管道中發(fā)現(xiàn)了一條裂紋，為了對其進行結(jié)構(gòu)完整性評定，需要找到與其拘束度相匹配的實驗室試樣。其中管道材料為a508，管道外半徑r0為472.25mm，內(nèi)半徑ri為389.25mm，管道厚度t為83.5mm，裂紋深度a=41.75mm，裂紋長度2c=104.375mm，如圖1所示，管道所受內(nèi)壓為核電一回路主管道工作壓力17mpa，內(nèi)壓所產(chǎn)生的軸向力為35.786mpa。所受彎矩m施加在管道右側(cè)端部，其大小為1.7×10¹⁰n.m。具體步驟如下：

1）實際結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

考慮實際工況與實際裂紋尺寸，并根據(jù)管道的對稱性，選取二分之一結(jié)構(gòu)建立有限元模型，如圖2、3所示實際結(jié)構(gòu)管道的有限元模型和裂尖局部網(wǎng)格圖，并對裂紋尖端j-積分與應(yīng)變場進行數(shù)值計算。

2）實際結(jié)構(gòu)j-apeeq曲線的計算

選擇等效塑形應(yīng)變值peeq=0.2，計算不同j積分下peeq等值線所圍繞區(qū)域的面積apeeq，得到j(luò)-apeeq曲線，如圖4所示。

3）實驗室試樣有限元模型的建立

選取實驗室三點彎曲試樣，初步試樣厚度b=16mm、試樣寬度w=32mm，裂紋長度a=16mm（a/w=0.5）的試樣尺寸進行嘗試，建立有限元模型，如圖5、6所示實驗室試樣的有限元模型和裂尖局部網(wǎng)格圖，并對裂紋尖端j-積分與應(yīng)變場進行數(shù)值計算。

4）實驗室試樣j-apeeq曲線的計算

選擇等效塑形應(yīng)變值peeq=0.2，計算不同j積分下peeq=0.2等值線所圍繞區(qū)域的面積apeeq，得到j(luò)-apeeq曲線，如圖7所示。

5）實際結(jié)構(gòu)與實驗室試樣j-apeeq曲線的比較

將兩條曲線畫在同一個坐標軸下，如圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)二者并不重合，這說明所選擇的實驗室試樣不合適。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相同j積分下，所選實驗室試樣的apeeq較小，即拘束大，需要選擇拘束更小的實驗室試樣。

6）重新選樣，重復(fù)步驟3）-5）

重新選擇試樣厚度b=10mm、試樣寬度w=32mm，裂紋長度a=16mm（a/w=0.5）的實驗室三點彎曲試樣，建立有限元模型、計算j-apeeq曲線，并將其與實際結(jié)構(gòu)的j-apeeq曲線畫在同一個坐標軸下，如圖9所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)兩條曲線重合，即該管道裂紋的拘束度與試樣厚度b=10mm、試樣寬度w=32mm，裂紋長度a=16mm（a/w=0.5）的三點彎曲試樣的拘束度匹配。

實現(xiàn)本發(fā)明的方式舉例2：不同試樣間拘束度的匹配：

本發(fā)明還可實現(xiàn)不同試樣間拘束度的匹配，舉例如下：假設(shè)有一個裂紋長度a=9.6mm,試樣寬度w=32mm（a/w=0.3），厚度b=32mm的三點彎曲試樣，通過該方法可以匹配出與之拘束度相同的不同裂紋長度、不同厚度的試樣。

a:需匹配試樣有限元模型的建立

建立a/w=0.3，厚度b=32mm的三點彎曲試樣的有限元模型，并對裂紋尖端j-積分與應(yīng)變場進行數(shù)值計算。有限元模型與圖5類似。

b:需匹配試樣j-apeeq曲線的計算

選擇等效塑形應(yīng)變值peeq=0.2，計算不同j積分下peeq等值線所圍繞區(qū)域的面積apeeq，得到j(luò)-apeeq曲線，如圖10所示。

c:匹配試樣有限元模型的建立

選取裂紋長度a=16mm,試樣寬度w=32mm（a/w=0.5），厚度b=8mm的三點彎曲試樣進行嘗試，建立有限元模型，并對裂紋尖端j-積分與應(yīng)變場進行數(shù)值計算。有限元模型與圖5類似.

d:匹配試樣j-apeeq曲線的計算

選擇等效塑形應(yīng)變值peeq=0.2，計算不同j積分下peeq等值線所圍繞區(qū)域的面積apeeq，得到j(luò)-apeeq曲線，如圖11所示。

e:兩試樣之間j-apeeq曲線的比較

將兩條曲線畫在同一個坐標軸下，如圖12所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)兩條曲線重合，即a/w=0.3、b=32mm與a/w=0.5、b=8mm三點彎曲試樣的拘束度相匹配。