[发明专利]基于三维弹塑性约束断裂力学的J-R曲线预测方法

说明书

本发明涉及一种基于三维弹塑性约束断裂力学的J‑R曲线预测方法，通过开展不同几何尺寸下的夹持式SENT断裂试验，与数值分析和理论相结合，提出的方法可以实现对含裂纹的压力容器或管道J‑R曲线的精准预测，避免了过于保守的结果造成的经济损失，也更加安全可靠的用于结构完整性评定；同时实现了不同应力状态下断裂韧性的统一，从而实现对其他裂纹结构J‑R曲线的准确预测。

技术领域

本发明属于力学技术领域，具体涉及一种基于三维弹塑性约束断裂力学的J-R曲线预测方法。

背景技术

准确的求解启裂断裂韧性和阻力曲线是含缺陷压力容器结构完整性评定的前提和关键。然而，材料的断裂性能依赖于待测夹持式SENT试样的结构类型、几何尺寸和受力状态，总体规律是：随着面内约束和面外约束的增大，断裂性能降低。从而，材料的断裂性能无法统一。

目前，根据断裂韧性测试标准推荐，金属材料的断裂韧性由采用高约束断裂试样(三点弯曲试样或紧凑拉伸试样)的断裂试验方法获得。然而，针对压力容器或管道，其常见缺陷形式多为低约束的二维裂纹，如表面裂纹、埋藏裂纹和角裂纹。因此，当前采用基于高约束断裂试样获得的断裂韧性用于评定低约束含缺陷结构，势必会过于保守，造成不必要的材料浪费和经济损失。

为了解决当前存在的问题，发展了约束相关的断裂力学方法，常用的方法有J-Q、J-A2、J-A和J-T11等。然而，以上方法均是基于二维平面应变情况发展而来，上述约束参数Q、A2、A和T11均是面内约束参数，无法描述和量化试样厚度、面外载荷及二维裂纹的影响。

综上所述，亟需采用低约束试样进行断裂试验，发展三维弹塑性下，面内和面外约束相关的断裂力学方法，从而实现对不同应力状态下J-R曲线的统一，最终实现对其他断裂试样或裂纹结构断裂韧性的预测。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于三维弹塑性约束断裂力学的J-R曲线预测方法，实现不同面内和面外约束状态下J-R曲线的统一，从而实现对其他裂纹结构J-R曲线的准确预测。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于三维弹塑性约束断裂力学的J-R曲线预测方法，其特征在于：所述预测方法的步骤为：

(1)试样加工：将待测试样加工成不同裂纹深度、试样厚度和标距的夹持式 SENT试样，对所有夹持式SENT试样采用0.01mm的线切割制备出裂纹；

(2)断裂试验：使用柔度法对所有夹持式SENT试样进行加载，加载速率为 0.01mm/s，出现明显的裂纹扩展或载荷达到峰值载荷后开始卸载，卸载速率为 0.1kN/s，下降不超过峰值的20％停止试验，测得载荷-裂纹张开位移曲线；

(3)数据处理：计算每个夹持式SENT试样对应的J积分和实时裂纹扩展长度Δa_i，并对其进行幂律函数拟合；

(4)求解面内约束参数A_SSY：采用有限元分析软件，建立小尺度屈服模型，输入待测夹持式SENT试样的弹性模量E、泊松比ν、屈服应力σ_YS、硬化指数n及材料常数α，计算小尺寸屈服下的面内约束参数A_SSY；

(5)求解面内约束参数A、Q_SSY及面外约束参数V₃₃：采用有限元分析软件，对所有待测夹持式SENT试样建立三维弹塑性模型，输入夹持式SENT试样的弹性模量 E、泊松比ν、屈服应力σ_YS、硬化指数n及材料常数α，求解其裂纹尖端应力应变场，并以裂纹扩展长度Δa为0.20mm对应的J积分J_0.2得到夹持式SENT试样中间平面处的面内约束参数A、Q_SSY和面外约束参数V₃₃；