基于應(yīng)力的失效評(píng)定圖

1、基于應(yīng)力的失效評(píng)定曲線引言參考美國(guó)EPRIR6的三種選擇曲線，分別對(duì)國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)管線鋼母材及焊接接頭的進(jìn)行R6通用失效評(píng)定曲線根據(jù)R6第四版的提供的選擇1，2曲線方程，建立國(guó)產(chǎn)管線鋼（X80，X80HD,X90）三種材料母材及焊接接頭（指第二章假設(shè)的均勻材料）的選擇1，2曲線。選擇1： ()選擇1與材料特性以及裂紋尺寸無(wú)關(guān)選擇2： ()選擇2曲線與裂紋尺寸無(wú)關(guān)，其中是材料真應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線與的對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值，因此選擇2的使用前提必須明確材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。將第二章所得的本構(gòu)關(guān)系代入選擇2的公式中，可得下式 。 ()選擇1，2的基于應(yīng)力的失效評(píng)定圖基于應(yīng)力的選擇3失效評(píng)定曲線的建立選用R6中定義最為嚴(yán)

2、密準(zhǔn)確的第3種方法，采用有限元的方法，依照該方法建立國(guó)產(chǎn)管線鋼失效評(píng)定曲線。選擇3： ()該曲線定義嚴(yán)密，反映了的判據(jù)，適用于結(jié)構(gòu)的精確評(píng)定。計(jì)算不同值下的和，由此可以得到JFAC的縱坐標(biāo)：FAC的橫坐標(biāo)的定義如下：上式中，為結(jié)構(gòu)的外加載荷，為結(jié)構(gòu)的極限載荷；對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的試樣，的算法不同，會(huì)導(dǎo)致評(píng)定曲線的左右移動(dòng)和分散。在基于應(yīng)力的失效評(píng)定圖中截止線根據(jù)下式 確定： ()上式中為材料的流變應(yīng)力，為材料的屈服應(yīng)力，同樣的會(huì)根據(jù)材料屈強(qiáng)比的提高而下降，導(dǎo)致評(píng)定安全區(qū)域的縮小。國(guó)產(chǎn)管線鋼材料的屈強(qiáng)比R（）較高，在0.75至0.90之間，故國(guó)產(chǎn)管線鋼截止線比一般的鋼材小。各材料的值如下表 所示。表X

3、80BMX80HDBMX90BMX80WJX80HDWJX90WJ518504594541563620579688714657659724548.55966545996116721.061.181.101.111.091.08極限載荷的確定均質(zhì)材料的極限載荷對(duì)于均質(zhì)材料，EPRI中已經(jīng)給出了多種結(jié)構(gòu)的極限載荷的對(duì)應(yīng)的計(jì)算方法。包括受均勻拉伸載荷的單邊、雙邊裂紋板、中心裂紋板以及緊湊拉伸試樣等。式 至式 為四種典型試樣的極限載荷表達(dá)式。W為試樣寬度，為裂紋長(zhǎng)度，為韌帶尺寸，為屈服強(qiáng)度。對(duì)于單邊開(kāi)裂平板，單位厚度極限載荷的表達(dá)式如下式（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)力）由下式求得：計(jì)算結(jié)果如下表 所示表 SE

4、CP試樣極限載荷計(jì)算結(jié)果a/W/MPa平面應(yīng)變/MPa平面應(yīng)力/MPaX80BM0.20.78151816476.9712139.730.40.5355188470.616240.890.60.3035183194.782353.820.80.123518649.48478.52X80HDBM0.20.78150416031.6511811.630.40.5355048241.686072.220.60.3035043108.442290.200.80.123504631.93465.58X90BM0.20.78159418894.4413920.850.40.5355949713.40715

5、6.540.60.3035943663.512699.170.80.123594744.77548.72對(duì)于雙邊開(kāi)裂平板，單位厚度極限載荷的表達(dá)式（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)力）計(jì)算結(jié)果如下表 所示表 DECP試樣極限載荷計(jì)算結(jié)果a/W/MPa平面應(yīng)變/MPa平面應(yīng)力/MPaX80BM0.251819725.4416747.780.451816425.7812560.830.651813126.128373.880.85189826.464186.94X80HDBM0.250419192.3216295.130.450415981.8412221.350.650412771.368147.560.85

6、049560.884073.78X90BM0.259422619.5219204.980.459418835.7414403.730.659415051.969602.490.859411268.184801.24對(duì)于中心裂紋板，單位厚度極限載荷的表達(dá)式（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)力）計(jì)算結(jié)果如下表 所示表 CCP試樣極限載荷計(jì)算結(jié)果a/W/MPa平面應(yīng)變/MPa平面應(yīng)力/MPaX80BM0.251816737.62145040.451812553.21108780.65188368.8072520.85184184.4043626X80HDBM0.250416285.5141120.45041221

7、3.9105840.65048142.6270560.85044071.313528X90BM0.259419193.3166320.459414395127470.65949596.6683160.85944798.334158對(duì)于緊湊拉伸試樣，單位厚度極限載荷的表達(dá)式（平面應(yīng)變）（平面應(yīng)力）由下式求得：計(jì)算結(jié)果如下表 所示表 CT試樣極限載荷計(jì)算結(jié)果a/W/MPa平面應(yīng)變/MPa平面應(yīng)力/MPaX80BM0.20.3035184563.9793359.4650.40.2055182320.5101708.0870.60.123518927.835682.9630.80.055518208.

8、716153.632X80HDBM0.20.3035044440.633268.670.40.2055042257.791661.920.60.123504902.76664.500.80.055504203.08149.48X90BM0.20.3035945233.603852.360.40.2055942660.971958.690.60.1235941063.96783.170.80.055594239.34176.17非均質(zhì)材料的極限載荷而對(duì)于焊接接頭這一類似復(fù)合材料的非均質(zhì)材料極限載荷來(lái)說(shuō)，不能單純使用母材、焊縫或熱影響區(qū)的極限載荷公式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)第二章的力學(xué)性能測(cè)試，將焊接接頭的

9、材料中焊縫及熱影響區(qū)簡(jiǎn)化為均勻材料，故試樣由母材和焊縫熱影響區(qū)均勻材料二者組合而成。從工程應(yīng)用的角度，可以通過(guò)受載荷結(jié)構(gòu)的載荷與裂紋張開(kāi)位移關(guān)系曲線進(jìn)而計(jì)算其極限載荷，基于參考應(yīng)力法，以SECP試樣為例，取其參考點(diǎn)的載荷與裂紋張開(kāi)位移曲線，采用二倍斜率的方法確定其極限載荷，如圖 所示。參考點(diǎn)載荷-裂紋張開(kāi)位移曲線計(jì)算了4種典型試樣：緊湊拉伸試樣(Compact tension， CT)，中心裂紋板試樣(Center crack panel， CCP)，雙邊裂紋板試樣(Double edge crack panel，DECP)以及單邊裂紋板試樣(Single edge crack panel，S

10、ECP)，在不同裂紋尺寸(a/w分別為0.2、0.4、0.6、0.8)下的J積分和極限載荷等，繪制出基于EPRI工程計(jì)算方法4種典型試樣的失效評(píng)定曲線?；趹?yīng)變失效評(píng)定曲線的有限元分析有限元模型模型的建立參照第三章中基于應(yīng)變的失效評(píng)定圖的模型，建立SECP、DECP、CCP 以及CT試樣的平面模型。使用8節(jié)點(diǎn)的平面單元以及平面應(yīng)變單元，計(jì)算使用減縮積分的方式，取了10條積分線，除了第一條，其他的結(jié)果取平均值。二維裂紋模型J積分有限元計(jì)算本節(jié)對(duì)四種典型的含裂紋試樣進(jìn)行二維有限元分析，分析裂紋尺寸，材料種類與J積分的關(guān)系。單邊裂紋板（SECP）模型的建立參照第三章 ，試樣的加載載荷取1.6倍的分別

11、計(jì)算平面應(yīng)變和平面應(yīng)力條件下，X80，X80HD，X90三種材料母材以及焊接接頭的彈塑性階段以及彈性階段的J積分，比較J積分隨載荷變化與裂紋尺寸的關(guān)系。圖 至 圖 為平面應(yīng)變條件下。母材及焊接接頭彈塑性J積分隨裂紋尺寸的關(guān)系。圖 至 圖 為平面應(yīng)力條件下。母材及焊接接頭J積分隨裂紋尺寸的關(guān)系。X80BM平面應(yīng)變X80HDBM平面應(yīng)變X90BM平面應(yīng)變X80WJ平面應(yīng)變X80HD WJ平面應(yīng)變X90 WJ平面應(yīng)變對(duì)X80，X80HD，X90三種材料的母材及焊接接頭的J積分有限元分析結(jié)果表明，在平面應(yīng)力的條件下，隨著裂紋尺寸的增大，J積分隨載荷變化曲線的向外偏移，但當(dāng)裂紋尺寸a/W=0.8時(shí)，方向

12、相反。X80BM平面應(yīng)力X80HDBM平面應(yīng)力X90BM平面應(yīng)力X80WJ平面應(yīng)力X80HD WJ平面應(yīng)力X90 WJ平面應(yīng)力在平面應(yīng)力條件下，隨著裂紋尺寸的增大，其J積分的增長(zhǎng)速度逐漸變慢。同種材料母材與焊接接頭的J積分值變化情況基本一致，隨著裂紋尺寸的增大，J積分隨載荷變化的曲線向外偏移。對(duì)于線彈性J積分的計(jì)算，參照第三章 去除模型的本構(gòu)參數(shù)中塑性階段部分，保留線彈性階段的本構(gòu)參數(shù)計(jì)算即可獲得。雙邊裂紋板(DECP)計(jì)算尺寸和材料參數(shù)與單邊裂紋板相同，建立有限元模型，模型與第三章 相同。以X80HD材料母材及焊接接頭為例，其J積分隨裂紋尺寸的關(guān)系展示如下。X80HDBM-平面應(yīng)變X80HD

13、BM-平面應(yīng)力X80HDWJ-平面應(yīng)變X80HDWJ-平面應(yīng)力與單邊裂紋版的模擬有相似的結(jié)果，裂紋尺寸a/W=0.8時(shí)，平面應(yīng)變及平面應(yīng)力的結(jié)果趨勢(shì)不同。中心裂紋板（CCP）中心裂紋板試樣模型的建立參照第三章 。以X80母材以及焊接接頭為例，其平面應(yīng)變的及平面應(yīng)力的彈塑性J積分與裂紋長(zhǎng)度關(guān)系如下圖 所示。X80BM-平面應(yīng)變X80BM-平面應(yīng)力X80WJ-平面應(yīng)變X80WJ-平面應(yīng)力對(duì)于平面應(yīng)力的條件，隨著裂紋尺寸的增大，J積分隨載荷變化曲線向外偏移，且J積分的離散程度大于平面應(yīng)變的條件。平面應(yīng)變條件下的J積分的變化與裂紋尺寸的變化關(guān)系不大。緊湊拉伸（CT）試樣CT試樣的模型尺寸和材料參數(shù)與實(shí)

14、驗(yàn)相同，模型參考第三章。以X90母材以及焊接接頭為例，其平面應(yīng)變的及平面應(yīng)力的彈塑性J積分與裂紋長(zhǎng)度關(guān)系如下圖 所示。X90BM-平面應(yīng)變X90BM-平面應(yīng)力X90WJ-平面應(yīng)變X90WJ-平面應(yīng)力典型試樣基于應(yīng)力的失效評(píng)定曲線的建立單邊裂紋板（SECP）試樣平面應(yīng)變?nèi)N材料SECP試樣的失效評(píng)定曲線見(jiàn)圖 和 圖 。SECPX80BM平面應(yīng)變X80HDBM平面應(yīng)變X90BM平面應(yīng)變X80WJ平面應(yīng)變X80HDWJ平面應(yīng)變X90WJ平面應(yīng)變圖 平面應(yīng)變條件下母材SECP試樣的失效評(píng)定曲線Figure 6 Comparison of the SB-FAD for SECP specimen wit

15、h different crack lengths in the plane strain conditionSECPX80BM平面應(yīng)力X80HDBM平面應(yīng)力X90BM平面應(yīng)力X80WJ平面應(yīng)力X80HDWJ平面應(yīng)力X90WJ平面應(yīng)力圖 平面應(yīng)力條件下母材SECP試樣的失效評(píng)定曲線Figure 6 Comparison of the SB-FAD for SECP specimen with different crack lengths in the plane strain conditionDECPX80BM平面應(yīng)變X80HDBM平面應(yīng)變X90BM平面應(yīng)變X80WJ平面應(yīng)變X80HDWJ平面應(yīng)變X90WJ平面應(yīng)變DECPX80BM平面應(yīng)力X80HDBM平面應(yīng)力X90BM平面應(yīng)力X80WJ平面應(yīng)力X80HDWJ平面應(yīng)力X90WJ平面應(yīng)力CC