一种基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法与流程

本发明涉及金属材料性能测试技术，更具体地说，涉及一种基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法。

背景技术：

1、近年来，一些领域中对冲击爆炸问题越来越受到关注，对冲击爆炸问题的研究，早期也是同样依赖于实验。在实验室条件下，金属材料力学涉及的常规材料性能一般包含金属材料的弹性、塑性以及冲击韧性。在实验室条件下测试金属材料性能参数时，对材料施加一定的载荷，材料最先进入弹性变形阶段，随着进一步施加载荷，材料进入屈服阶段以及之后的塑性变形阶段，通过测试，获得材料的应力-应变曲线，并从曲线上获得材料的弹性模量、屈服强度和抗拉强度等指标。通过dwtt(落锤撕裂实验)等实验，获取材料的冲击韧性的性能。但金属材料在实际使用过程中，特殊情况下，如船舶、压力容器行业还会涉及到材料的损伤和断裂，这部分性能在前述的金属材料弹性、塑性范围内没有相关的参数来反馈。因为材料的损伤和破坏性能是在金属材料的抗拉强度出现后的这部分体现出来，这个过程极为不稳定，受到的影响因素也较为复杂，一段时间内，没有合理的模型或者实验室测试方法来进行表征。

2、在止裂钢的应用过程中，会对其提出止裂性能，虽然dwtt实验可以测量试样在某个温度值时的冲击断裂韧性，但仍然无法表征止裂钢在使用条件下的止裂性能。2013年国际船级社协会提出，集装箱船的某些关键部位所使用高强度厚板必须具有止裂性能，如对于厚度大于80mm的高强度厚板，应满足-10℃下，止裂韧性(kca值)≥)000n/mm3/2的技术指标。kca值的计算，目前主要依靠全厚度试样通过双重拉伸的方法来测量和计算。如图1所示，需要在钢板指定位置取全厚度试样加工成双重拉伸试样，并且在钢板上施加梯度温度场，然后再施加主拉伸载荷，再在副拉伸钢板上施加启裂载荷，使得预置裂纹开始向主拉伸试样中扩展，副拉伸启裂载荷在裂纹启动时卸载。裂纹启动后向试样内部扩展一定距离后停止后，测量裂纹止裂长度和计算止裂温度。通过四个不同试样测量值来拟合计算-10℃条件下的kca值。具体计算方法如下：

3、

4、式(1)中，σ为拉伸应力，a为裂纹止裂长度，ws为试样宽度。对于同一种材料，需测得四组有效的tk和kca值，然后按照式(2)计算得到-10℃条件下的kca值，并将其作为评价止裂性能的依据。

5、

6、式(2)中，tk为止裂温度，k0与t0为材料常数。

7、这里，可以看出，全尺寸的试样进行相关的测试实验相对比较复杂，前期样板的准备和加工费时费力，做测试时的温度场加载也估计在半天左右。

8、近几年，计算机计算能力的不断提高，数值仿真在材料力学方面也有着很大的进步。随着以有限元方法为代表的数值模拟在工程设计中展现出了独到的地位和作用，经过实验验证的数值模拟能以较小的代价获取问题的解答。在材料断裂力学方面，有限元也引入了相关的专用模块和方法，比如裂纹尖端扩展法(xfem)，以及材料属性中也增加了材料失效的准则，如johnson-cook(以下简称jc模型)材料失效模型。对于不同的材料，也需要引入相关的材料参数来对材料的失效进行定义。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法，拓展了有限元法的应用，提升止裂钢裂纹的评价方法及效率。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明提供了一种基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法，包括以下步骤：

4、s1、在目标钢板上取样，并按尺寸要求加工试样；

5、s2、在-10℃条件下拉伸和扭转所述试样，获得应力-应变曲线，并再监测所述试样失效时的开裂起始应变位置，在所述应力-应变曲线上找到对应的点；

6、s3、通过有限元建模，建立与步骤s2中相同的模型，并加载实验条件相同的参数作为边界条件，计算-10℃条件下拉伸过程所述试样的应力-应变曲线；

7、s4、通过结合步骤s2中实验结果的所述应力-应变曲线和步骤s3中有限元模型计算结果，判断所述试样在各个条件下对应的-10℃时的断裂应变值，断裂应变值和对应的应力三轴度通过johnson-cook材料失效模型拟合εf＝[d1+d2exp(d3σ*)]，其中，εf为失效应变，σ*为应力三轴度，系数d1、d2、d3作为失效准则参数；

8、s5、将所述失效准则参数输入至所述有限元模型中；

9、s6、在所述有限元模型中进行双重拉伸建模仿真计算，获得止裂长度，通过该止裂长度计算材料在-10℃时的kca值。

10、较佳的，所述试样包括带缺口试样和圆棒光滑试样；

11、三根所述带缺口试样为一组，共设置三组，每组所述带缺口试样的规格不同；

12、三根所述圆棒光滑试样为一组，共设置两组。

13、较佳的，步骤s4具体为：

14、通过结合步骤s2中实验结果的所述应力-应变曲线和步骤s3中有限元模型计算结果，获得5组所述试样的断裂应变值和对应的应力三轴度，再通过johnson-cook材料失效模型拟合对应裂钢裂纹评价方法；

15、较佳的，所述johnson-cook材料失效模型进行d1、d2、d3系数标定具体为：

16、计算所述johnson-cook材料失效模型中流动应力：

17、y＝[a+bε^n][1+clnε*][1-t*^m]   (3)

18、式(3)中，a为初始屈服应力，b为硬化常数，ε为塑性应变，c为应变率常数，ε*为塑性应变率，n为硬化指数，t*为同源温度，m为热软化指数；

19、其中，t*＝(t-t_room)/(t_melt-t_room)(4)

20、式(4)中，t_room为室温，t_melt为熔化温度；

21、式(3)中使用的温度根据式(5)的温度上升中导出：

22、δ的温度上升中导出：(m)/(t(5)

23、式(5)中，δ中为温升，α为塑性百分比，c为热容，ρ为密度；

24、所述johnson-cook材料失效模型中断裂由式(6)的累积损坏法则导出：

25、d＝σ(δε/εf)   (6)

26、式(6)中，εf＝[d1+d2exp(d3σ*)][1+d4lnε*][1+d5t*]，δε为塑性应变增量，σ*为应力三轴度，d1,d2,d3,d4,d5为常数。

27、较佳的，步骤s6中，所述有限元模型中进行双重拉伸建模仿真计算时，所述johnson-cook材料失效模型表示为：

28、εf＝[d1+d2exp(d3σ*)]   (7)。

29、较佳的，应力三轴度σ*的计算如下：

30、σ*＝1/3+ln[1+a/(2r)]   (8)

31、式(8)中，a为试样缺口处的半径，r为试样开缺口的半径。

32、本发明所提供的一种基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法，其优点是通过实验室非标小试样的加工，并测试相应的力学参数，确定材料的裂纹扩展参数，通过有限元计算的方法建立裂纹扩展模型，快速高效获取材料的止裂性能，具备一定的可靠性，并且有替代行业标准传统方法的潜力。

技术特征：

1.一种基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法，其特征在于：所述试样包括带缺口试样和圆棒光滑试样；

3.根据权利要求2所述的基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法，其特征在于，步骤s4具体为：

4.根据权利要求3所述的基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法，其特征在于，所述johnson-cook材料失效模型进行d1、d2、d3系数标定具体为：

5.根据权利要求4所述的基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法，其特征在于，步骤s6中，所述有限元模型中进行双重拉伸建模仿真计算时，所述johnson-cook材料失效模型表示为：

6.根据权利要求4所述的基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法，其特征在于，应力三轴度σ*的计算如下：

技术总结
本发明公开了一种基于有限元仿真计算的止裂钢裂纹评价方法，在有限元模型中设定与试验过程同等大小的试样，在试样内部预制一个与试验中同等尺寸的裂纹，在材料属性中设定裂纹扩展条件，采用JC模型，其断裂准则参数的测定，是在实验室条件下通过小试样加工和测试来完成。并且作为输入条件后可以合理模拟DWTT试验和双重拉伸的整个过程。由此可以借助结合实验室小试样测试相关参数结合有限元全尺寸模型的计算来对止裂钢的止裂性能进行计算K<subgt;ca</subgt;值并给出合理评价。本发明拓展了有限元法的应用，提升止裂钢裂纹的评价方法及效率。

技术研发人员：袁向前,高珊,张才毅,芦晓辉,张爱文
受保护的技术使用者：宝山钢铁股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23