压载荷作用下含复合型裂纹结构的完整性评定方法

技术领域

本发明属于故障诊断与健康维护技术，具体涉及一种压载荷作用下含复合型裂纹结构的完整性评定方法。

背景技术

高端装备制造业作为现代工业体系的脊梁，是以高新技术为引领的，决定整个产业链综合竞争力的战略性新兴产业。其中，故障诊断与健康维护技术作为九类关键智能基础共性技术中不可缺少的一环，对预测设备与结构的故障并提供维修建议起到了至关重要的作用。含缺陷结构的完整性评定属于健康维护技术，其目的在于为设备和工程结构提供健康管理策略，优化使用和维护，降低维护成本。极端条件下压力容器、压力管道等各种工程结构和设备在制造和服役过程中不可避免会产生缺陷，因此含缺陷结构的完整性评定对保证设备的安全运行起到重要作用。对于含缺陷结构的完整性评价，目前已有多个方法提供保障，包括COD曲线法、应力强度因子法、J判据法，以及目前最常用的失效评定图法。失效评定图方法基于断裂力学原理和结构强度理论，将脆性断裂失效和极限载荷失效表征于同一个二维坐标系故又称为双判据法。因此，传统的失效评定图法只是考虑了断裂失效模式，没有考虑屈曲失效对含缺陷结构完整性评价的影响。

专利CN115169115A《基于应变的管道环焊缝失效评估图方法、设备及储存介质》中介绍一种基于应变的管道环焊缝失效评估图，准确表征了焊缝强度匹配对结构断裂的影响；专利CN112287577A《纳入面内与面外统一拘束的结构完整性评定方法》中提出基于统一拘束参数的失效评定图，提高失效评定图的评定精度。以上专利均涉及对失效评定图的改进，但没有专利考虑压载荷下含复合型裂纹结构屈曲失效对于缺陷评定的影响。含缺陷的结构不仅会发生断裂失效，还会发生屈曲失效，这取决于结构的几何尺寸、缺陷尺寸、材料属性和载荷等。当含缺陷的结构发生屈曲失效时，传统断裂失效评定图是不适用的。

发明内容

本发明提出了一种压载荷作用下含复合型裂纹结构的完整性评定方法，该方法较传统基于断裂失效的失效评定法，全面考虑了压载荷下含复合型裂纹结构的可能失效模式，解决了当含缺陷的结构发生屈曲失效时，传统断裂失效评定图不适用的问题，可以提高压载荷下含表面裂纹结构完整性评定的准确性。

实现本发明的技术解决方案为：一种压载荷作用下含裂纹结构的完整性评定方法，步骤如下：

步骤S1：对待评定的含复合型裂纹结构的几何尺寸和缺陷尺寸进行表征，并确定上述含复合型裂纹结构的材料属性，转入步骤S2。

步骤S2：根据几何尺寸、缺陷尺寸和材料属性，将载荷形式设置为压载荷，建立含复合型裂纹结构的有限元模型，再通过有限元方法确定含复合型裂纹结构的极限载荷P

步骤S3：根据L

基于断裂失效的失效评定曲线表达式f(L

f(L

基于屈曲失效的失效评定曲线表达式f(B

f(B

其中，L

转入步骤S4。

步骤S4：根据含复合型裂纹结构失效评定曲线构建上述含复合型裂纹结构三维失效评定曲线，具体如下：

S41、建立三维失效评定曲线表达式f(L

f(L

S42、绘制三维失效评定曲线：

在含复合型裂纹结构三维失效评定曲线中，L

转入步骤S5。

步骤S5：对含复合型裂纹结构施加某一个压载荷F，当前工况下的评定点坐标为(L

其中，L

转入步骤S6。

步骤S6：判断评定点在L

当评定点坐标(L

当评定点坐标(L

当评定点坐标(L

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)考虑压载荷作用下含复合型裂纹结构发生屈曲失效的情况。因此，在现有断裂失效评定曲线的基础上，考虑压载荷下含复合型裂纹结构屈曲失效模式，建立屈曲失效评定曲线。全面纳入评定结构可能失效模式，与断裂失效评定模式相比更加合理和准确。

(2)建立了和传统断裂失效评定曲线相对应的屈曲失效评定曲线。

(3)失效评定图是断裂失效评定曲线结合屈曲失效评定曲线的三维失效评定图，能更加直观地判断含复合型裂纹结构的失效模式。

附图说明

图1是本发明中的断裂失效评定曲线和屈曲失效评定曲线示意图。

图2是本发明中的断裂失效评定曲线和屈曲失效评定曲线相结合的三维失效评定图示意图。

图3是评定点坐标放入三维失效评定图中进行评定，发生屈曲失效的示意图。

图4是评定点坐标放入三维失效评定图中进行评定，发生断裂失效的示意图。

图5是根据本发明的一个实施例的压载荷作用下含复合型表面裂纹板的几何和裂纹尺寸表征示意图。

图6是根据本发明的一个实施例的压载荷作用下含复合型表面裂纹板的有限元模型和裂纹前沿网格分布图。

图7是根据本发明的一个实施例的三维失效评定结果图。

图8为本发明压载荷作用下含复合型裂纹结构的完整性评定方法流程图。

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的一部分实施例，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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。

下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。

结合图1～图8，一种压载荷作用下含复合型裂纹结构的完整性评定方法，步骤如下：

步骤S1：参照GB/T 19624-2019对待评定的含复合型裂纹结构的几何尺寸和缺陷尺寸进行表征，并确定上述含复合型裂纹结构的材料属性。缺陷尺寸包括表面裂纹深度a、裂纹半长轴c以及复合型表面裂纹倾角β，材料属性包括弹性模量E、裂纹面摩擦系数μ、泊松比υ、屈服强度σ

转入步骤S2。

步骤S2：根据几何尺寸、缺陷尺寸和材料属性，将载荷形式设置为压载荷，建立含复合型裂纹结构的有限元模型，再通过有限元方法确定含复合型裂纹结构的极限载荷P

其中，P为对含复合型裂纹结构施加的不同压载荷；J

转入步骤S3。

步骤S3：在压载荷下，结构可能发生屈曲失效，这取决于含复合型裂纹结构的几何尺寸、缺陷尺寸、材料属性及载荷等。例如当含复合型裂纹板结构厚度减小或缺陷尺寸增大时，含复合型裂纹板结构发生屈曲失效可能性增加。此时采用传统的断裂失效评定图进行评定缺乏合理依据，需要建立屈曲失效评定图满足评定的需求。根据L

基于断裂失效的失效评定曲线表达式f(L

f(L

在建立屈曲失效评定曲线时，将传统失效评定曲线中断裂载荷比L

基于屈曲失效的失效评定曲线表达式f(B

f(B

其中，L

其中，σ

转入步骤S4。

步骤S4：根据含复合型裂纹结构失效评定曲线构建上述含复合型裂纹结构三维失效评定曲线(如图2所示)，具体如下：

S41、建立三维失效评定曲线表达式f(L

f(L

S42、绘制三维失效评定曲线：

在含复合型裂纹结构的三维失效评定曲线中，L

转入步骤S5。

步骤S5：对含复合型裂纹结构施加某一个压载荷F，当前工况下的评定点坐标为(L

其中，L

材料断裂韧度K

其中，E为材料的弹性模量，υ为材料泊松比，J

对于裂纹尖端应力强度因子K，选取的是裂纹前沿的应力强度因子值，由于含复合型裂纹结构受到压载荷作用，I型应力强度因子K

转入步骤S6。

步骤S6：判断评定点在L

当评定点坐标(L

当评定点坐标(L

当评定点坐标(L

实施例

本实施例中，待评定的含复合型裂纹结构为板件，其材料为TA2工业纯钛，弹性模量E＝113161.41MPa，泊松比υ＝0.348。屈服强度σ

步骤S1：明确待评定结构的几何尺寸(板厚度t＝10mm和板宽度2W＝200mm)、缺陷尺寸(复合型表面裂纹深度a＝4mm和裂纹半长轴c＝20mm，裂纹倾角β＝45°)(如图5所示)和材料属性(弹性模量E＝113161.41MPa和泊松比υ＝0.348)。

步骤S2：采用有限元方法计算(如图6所示)压载荷下含复合型表面裂纹板的塑性极限载荷P

步骤S3：根据L

步骤S4：根据含复合型裂纹结构失效评定曲线构建上述含复合型裂纹结构三维失效评定曲线，具体如下：

S41、建立三维失效评定曲线表达式f(L

f(L

S42、绘制三维失效评定曲线：

在含复合型裂纹结构三维失效评定曲线中，L

步骤S5：对含复合型裂纹结构施加某一个压载荷F，当前工况下的评定点坐标为(L

采用有限元方法计算裂纹前沿最深点处的应力强度因子值

步骤S6：评定点坐标(L