一种金属延性断裂应变计算方法及系统

摘要

本发明涉及一种金属延性断裂应变计算方法及系统，方法包括：对应力向量在应力空间中进行分解，得到应力参数；基于待测金属材料对初始的计算参数进行标定，得到标定的计算参数；基于所述应力参数得到罗德角，基于所述罗德角得到罗德角参数；将所述应力空间转化为应力应变空间，基于所述应力应变空间得到等效塑性应变；基于所述等效塑性应变和所述标定的计算参数得到应力三轴度；将应力三轴度、所述标定的计算参数和所述罗德角参数输入计算模型，得到断裂应变。本发明适用范围广、预测精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及延性材料断裂评估技术领域，特别是涉及一种金属延性断裂应变计算方法及系统。

背景技术

随着科学技术的发展，大量延性材料得到广泛应用，材料因延性断裂而使构件失效的事件时有发生，例如，高压油气管道在腐蚀或外部载荷作用下发生断裂，以及钢结构中钢梁腹板和梁柱节点的断裂破坏。为了保证结构部件和系统的安全运行，必须对金属延性断裂进行定量研究。事实上，延性断裂的发生不仅与材料性质有关，还与其所处的应力状态强烈相关。简单应力状态下的延性断裂力学参量易于观测，而复杂应力状态下的断裂参量很难观测，但是复杂应力状态在实际工程中又不可避免。因此，亟需研究适用范围广泛的延性断裂判据。

现有的关于延性断裂判断方法中，一是应用不方便，例如以GTN模型为代表的塑性损伤耦合模型，参数确定不方便；二是多数模型仅适用于局部应力状态，例如EMC理论不适用于高应力三轴度应力状态，GTN模型不适用于负应力轴度应力状态，然而，实际工程中延性断裂分布可能从负应力三轴度到高应力三轴度的各个应力状态区间。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种应用方便，适用于广泛应力状态的金属延性断裂应变计算方法及系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种金属延性断裂应变计算方法，包括：

对应力向量在应力空间中进行分解，得到应力参数；

基于待测金属材料对初始的计算参数进行标定，得到标定的计算参数；

基于所述应力参数得到罗德角，基于所述罗德角得到罗德角参数；

将所述应力空间转化为应力应变空间，基于所述应力应变空间得到等效塑性应变；

基于所述等效塑性应变和所述标定的计算参数得到应力三轴度；

将应力三轴度、所述标定的计算参数和所述罗德角参数输入计算模型，得到断裂应变。

优选地，所述计算参数包括初始幂次应力应变硬化系数、幂次应力应变硬化指数、材料常数、广义剪切系数和广义轴拉轴压系数。

优选地，所述计算模型如下：

式中：ε

优选地，所述广义轴拉轴压系数为1。

优选地，基于所述待测金属材料，采用最小二乘法对所述材料常数和所述广义剪切系数进行标定。

所述幂次应力应变硬化系数和所述幂次应力应变硬化指数通过对所述待测金属材料进行拉伸实验进行标定。

优选地，所述应力三轴度的计算公式如下：

式中：σ

优选地，所述计算方法还包括：

基于所述应力参数和罗德角函数对所述罗德角参数进行修正，得到修正罗德角参数，基于所述修正罗德角参数和所述计算模型，得到所述断裂应变；

所述罗德角函数计算公式如下：

基于下式对所述罗德角参数进行修正：

式中：

本发明还提供了一种金属延性断裂应变计算系统，包括：

分解模块，对应力向量在应力空间中进行分解，得到应力参数；

标定模块，基于待测金属材料对初始的计算参数进行标定，得到标定的计算参数；

罗德角模块，基于所述应力参数得到罗德角，基于所述罗德角得到罗德角参数；

转换模块，将所述应力空间转化为应力应变空间，基于所述应力应变空间得到等效塑性应变；

应力模块，基于所述等效塑性应变和所述标定的计算参数得到应力三轴度；

计算模块，将应力三轴度、所述标定的计算参数和所述罗德角参数输入计算模型，得到断裂应变。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明涉及一种金属延性断裂应变计算方法及系统，方法包括：对应力向量在应力空间中进行分解，得到应力参数；基于待测金属材料对初始的计算参数进行标定，得到标定的计算参数；基于所述应力参数得到罗德角，基于所述罗德角得到罗德角参数；将所述应力空间转化为应力应变空间，基于所述应力应变空间得到等效塑性应变；基于所述等效塑性应变和所述标定的计算参数得到应力三轴度；将应力三轴度、所述标定的计算参数和所述罗德角参数输入计算模型，得到断裂应变。本发明适用范围广、预测精度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明金属延性断裂应变计算方法流程图；

图2为应力向量分解示意图；

图3为应力向量在偏平面投影图；

图4为当I

图5为当I

图6为J

图7为2024-T351铝合金二维断裂轨迹图；

图8为当

图9为2024-T351铝合金误差对比图；

图10为本发明金属延性断裂应变计算系统结构图。

符号说明：1-分解模块，2-标定模块，3罗德角模块，4-转换模块，5-应力模块，6-计算模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种金属延性断裂应变计算方法及系统，具有更好的适用范围和预测精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明金属延性断裂应变计算方法流程图。如图1所示，本发明提供了一种金属延性断裂应变计算方法，包括：

步骤S1，对应力向量在应力空间中进行分解，得到应力参数。

优选地，所述应力空间为赫艾-韦斯特加德(Haigh–Westergaard)应力空间。如图2所示，应力向量

步骤S2，基于待测金属材料对初始的计算参数进行标定，得到标定的计算参数。

本实施例中，所述计算参数包括初始幂次应力应变硬化系数、幂次应力应变硬化指数、材料常数、广义剪切系数和广义轴拉轴压系数。所述广义轴拉轴压系数取值为1。

基于所述待测金属材料，采用最小二乘法对所述材料常数和所述广义剪切系数进行标定。所述材料常数包括m

所述幂次应力应变硬化系数和所述幂次应力应变硬化指数通过对所述待测金属材料进行拉伸实验进行标定。

步骤S3，基于所述应力参数得到罗德角，基于所述罗德角得到罗德角参数。

罗德角用来描述应力向量

式中：θ为罗德角，J

罗德角参数计算公式如下：

式中：

由Haigh–Westergaard应力空间中应力向量的分解可知，任意一个应力向量皆可由I

根据Khan的研究结果，金属的延性断裂判据可以近似用第二不变量J

J

但是，延性断裂判据仅用J

f(J

根据应力向量的空间分解可知，不论在何种应力状态下，均有下式成立：

式中：MSV为应力向量幅值，

图4和图5分别给出2024-T351铝合金的MSV的平方随I

MSV

MSV

式中：a和d均为材料常数。

代入应力向量幅值公式可以得到：

2J

2J

式中：m

图6展示了不同m

金属延性敏感于罗德角参数

基于下式对所述罗德角参数进行修正：

式中：

步骤S4，将所述应力空间转化为应力应变空间，基于所述应力应变空间得到等效塑性应变。

应力空间上的延性断裂模型存在一个缺陷，即当变形进入塑性区域，应力的分变率减小，但是塑性区域的应变分辨率反而增大。因此，需要将应力空间上的延性断裂转化至包含应变的空间中。断裂应变以断裂起始点处的临界等效塑性应变ε

步骤S5，基于所述等效塑性应变和所述标定的计算参数得到应力三轴度。

应力三轴度计算公式如下：

式中：

步骤S6，将应力三轴度、所述标定的计算参数和所述修正罗德角参数输入计算模型，得到断裂应变。

所述计算模型如下：

式中：ε

利用2024-T351铝合金进行断裂实验，验证本发明方法的有效性，幂次应力应变硬化系数A＝744MPa，幂次应力应变硬化指数n＝0.153，对计算参数m

为了评估延性断裂模型的精度，平均误差Error定义如下：

式中：N为实验样本数量，

为了体现本发明提出的方法的效果，选取了3个常用的延性断裂模型展开对比研究。选取的延性断裂模型分别为静水应力修正的最大剪应力模型(PMMS)、扩展的莫尔-库仑模型(EMC)和扩展的统一强度理论模型(EUST)。断裂应变的计算结果如图7和图8所示。

其他3个断裂模型与本发明提出的模型采用相同的标定样本，同样利用最小二乘法得到计算参数，标定结果与预测误差平均值见表1。PMMS模型、EMC模型和EUST模型的平均误差大于15％，而本发明的平均误差为11％，表现最好。本发明将应力三轴度划分成三个区间：η≥0.6的高应力三轴度区间，η<0的负应力三轴度区间和0≤η<0.6的中低应力三轴度区间。图9展示了三个应力三轴度区间上各个断裂模型误差的分布情况，从图9中可以看出，3个参与对比研究的断裂模型的误差从负应力三轴度到高应力三轴度逐渐升高，而本发明提出的断裂模型在整个应力三轴度区间上误差最小，尤其在高应力三轴度区间，误差显著降低。

表1 2024-T351铝合金模型参数与平均误差

图10为本发明金属延性断裂应变计算系统结构图。如图10所示，本发明还提供了一种金属延性断裂应变计算系统，包括：

分解模块1，对应力向量在应力空间中进行分解，得到应力参数。

标定模块2，基于待测金属材料对初始的计算参数进行标定，得到标定的计算参数。

罗德角模块3，基于所述应力参数得到罗德角，基于所述罗德角得到罗德角参数。

转换模块4，将所述应力空间转化为应力应变空间，基于所述应力应变空间得到等效塑性应变。

应力模块8，基于所述等效塑性应变和所述标定的计算参数得到应力三轴度；

计算模块6，将应力三轴度、所述标定的计算参数和所述罗德角参数输入计算模型，得到断裂应变。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。