基于裂尖拘束量的裂纹扩展阻力曲线确定方法与流程

本技术涉及管道断裂评估，具体涉及一种基于裂尖拘束量的裂纹扩展阻力曲线确定方法。

背景技术：

1、目前，随着我国管道行业的迅速发展，保证管家安全运行是重中之重。管道是一种焊接结构，各个管道之间的对接焊缝称为环焊缝，由于焊接工艺和焊接条件的原因，因此可能会存在一些不可避免的如裂纹、错边、未焊透等焊接缺陷，使得环焊缝成为整个管道的薄弱环节，严重可能会导致管道泄漏和焊缝开裂等事故。因此，对于环焊缝缺陷应该重点关注。管道环焊缝材料表观断裂韧性作为开展环焊接头安全评估的重要参数，会受到材料性能、载荷条件、几何尺寸等因素的影响。由于全尺寸管道环焊缝断裂韧性测试试验难度大且试验成本高，在实际管道设计及评价中往往基于小尺寸senb试样的断裂韧性测试结果来近似估计全尺寸管道焊缝区材料的表观韧性。但尺寸效应导致的裂纹尖端拘束度的差异，senb试样断裂韧性的测试结果并不能完全适用于全尺寸管道，往往会导致较为保守或冒进的断裂评估结果，导致无法准确获取到全尺寸管道表观断裂韧性的准确值。因此，明确全尺寸管道环焊缝材料表观断裂韧性与小尺寸senb试样断裂韧性的关联性对开展高钢级管道环焊缝工程适用性评价具有一定的参考意义。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的是提供一种基于裂尖拘束量的裂纹扩展阻力曲线确定方法，用以解决现有技术中senb试样的断裂韧性测试结果无法适用于全尺寸管道焊缝区材料，导致无法准确获取到全尺寸管道表观断裂韧性的准确值的技术缺陷。

2、为了实现上述目的，本技术第一方面提供一种基于裂尖拘束量的裂纹扩展阻力曲线确定方法，确定方法包括：

3、分别构建针对第一尺寸管道的第一有限元模型以及针对第二尺寸管道的第二有限元模型；

4、基于第一有限元模型与第二有限元模型分别模拟出多个第一尺寸管道和多个第二尺寸管道，并分别确定每个第一尺寸管道和第二尺寸管道在多个裂纹扩展量下的多组工况数据，其中，工况数据包括断裂韧性和裂尖拘束度，多个裂纹扩展量至少包括第一预设裂纹扩展量和第二预设裂纹扩展量，第一预设裂纹扩展量小于第二预设裂纹扩展量；

5、基于预设的选定条件从第一有限元模型模拟出的第一尺寸管道中选出高拘束试样；

6、确定高拘束试样分别在第一预设裂纹扩展量下的第一裂尖拘束度和第一断裂韧性，以及在第二预设裂纹扩展量下的第二裂尖拘束度和第二断裂韧性；

7、根据第一裂尖拘束度与第一断裂韧性确定第一尺寸管道在第一预设裂纹扩展量下无量纲断裂韧性和无量纲裂尖拘束度之间的第一线性关系，以及根据第二裂尖拘束度与第二断裂韧性确定第一尺寸管道在第二预设裂纹扩展量下无量纲断裂韧性和无量纲裂尖拘束度之间的第二线性关系；

8、确定第二有限元模型在第一预设裂纹扩展量和第二预设裂纹扩展量下的第三裂尖拘束度和第四裂尖拘束度；

9、基于第一线性关系和第三裂尖拘束度确定第二尺寸管道的第一实际断裂韧性，以及基于第二线性关系和第四裂尖拘束度确定第二尺寸管道的第二实际断裂韧性；

10、在第一实际断裂韧性与第一理论断裂韧性之间的第一相对误差以及第二实际断裂韧性与第二理论断裂韧性之间的第二相对误差均小于预设数值的情况下，基于第一线性关系以及第二线性关系构建针对第二尺寸管道的裂纹扩展阻力曲线，其中，裂纹扩展阻力曲线表明了第二尺寸管道的裂纹扩展量与断裂韧性之间的关联关系。

11、在本技术的实施例中，分别构建针对第一尺寸管道的第一有限元模型以及针对第二尺寸管道的第二有限元模型包括：选定第二尺寸管道上的任意一个环焊接头为目标环焊接头，并获取目标环焊接头的焊缝金属类型、母材类型以及目标环焊接头上的热影响区的材料性能参数，其中，材料性能参数至少包括抗拉强度、屈强比、焊缝强度匹配系数以及硬化系数；基于焊缝金属类型、母材类型以及材料性能参数分别构建针对第一尺寸管道的第一有限元模型以及针对第二尺寸管道的第二有限元模型。

12、在本技术的实施例中，确定高拘束试样分别在第一预设裂纹扩展量下的第一裂尖拘束度，以及在第二预设裂纹扩展量下的第二裂尖拘束度包括：确定针对第一有限元模型的多条塑性应变等值线；在基于预设的选定条件从第一有限元模型模拟出的第一尺寸管道中选出高拘束试样之后，基于第一有限元模型获取高拘束试样分别在第一预设裂纹扩展量下的多条塑性应变等值线所围成的第一区域面积，以及在第二预设裂纹扩展量下的多条塑性应变等值线所围成的第二区域面积；将第一区域面积、第二区域面积分别确定为高拘束试样分别在第一预设裂纹扩展量下以及第二预设裂纹扩展量下的第一裂尖拘束度与第二裂尖拘束度。

13、在本技术的实施例中，根据第一裂尖拘束度与第一断裂韧性确定第一尺寸管道在第一预设裂纹扩展量下无量纲断裂韧性和无量纲裂尖拘束度之间的第一线性关系，以及根据第二裂尖拘束度与第二断裂韧性确定第一尺寸管道在第二预设裂纹扩展量下无量纲断裂韧性和无量纲裂尖拘束度之间的第二线性关系包括：获取多个第一尺寸管道中除高拘束试样以外的剩余每个第一尺寸管道分别在第一预设裂纹扩展量下和第二预设扩展量下的多条塑性应变等值线所围成的多个区域面积；基于多个区域面积、第一区域面积以及第二区域面积确定针对第一尺寸管道的裂尖拘束度参考值；基于第一断裂韧性和第二断裂韧性确定针对第一尺寸管道的断裂韧性参考值；基于裂尖拘束度参考值、断裂韧性参考值以及第一区域面积确定第一线性关系，并基于裂尖拘束度参考值、断裂韧性参考值和第二区域面积确定第二线性关系。

14、在本技术的实施例中，基于第一线性关系以及第二线性关系构建针对第二尺寸管道的裂纹扩展阻力曲线包括：获取裂纹扩展阻力曲线的第一待定系数和第二待定系数；基于裂尖拘束度参考值确定针对第一尺寸管道的无量纲裂尖拘束度表征量，并基于断裂韧性参考值确定针对第一尺寸管道的无量纲断裂韧性表征量；基于无量纲裂尖拘束度表征量、无量纲断裂韧性表征量、第一线性关系、第二线性关系、第一预设裂纹扩展量以及第二预设裂纹扩展量确定裂纹扩展阻力曲线的第一待定系数和第二待定系数；基于第一待定系数和第二待定系数构建裂纹扩展阻力曲线。

15、在本技术的实施例中，确定方法还包括：在构建针对第二尺寸管道的裂纹扩展阻力曲线之后，基于每个第一尺寸管道在多个裂纹扩展量下的多组工况数据验证裂纹扩展阻力曲线的准确性。

16、在本技术的实施例中，第一线性关系和第二线性关系分别包括根据公式(1)和公式(2)确定：

17、

18、

19、其中，aref为裂尖拘束度参考值，δref为断裂韧性参考值，ap为第一尺寸管道在每个裂纹扩展量下的多条塑性应变等值线所围成的区域面积，δ为在每个裂纹扩展量下的断裂韧性。

20、在本技术的实施例中，裂纹扩展阻力曲线包括根据公式(3)确定：

21、δ(δa,λ)＝β(λ)δaγ(λ)  (3)

22、其中，δ为在每个裂纹扩展量下的断裂韧性，δa为裂纹扩展量，β为第一待定系数，γ为第二待定系数，λ为无量纲裂尖拘束度表征量。

23、本技术第二方面提供了一种裂纹扩展阻力曲线确定装置，包括：

24、存储器，被配置成存储指令；以及

25、处理器，被配置成从所述存储器调用所述指令以及在执行所述指令时能够实现上述的基于裂尖拘束量的裂纹扩展阻力曲线确定方法。

26、本技术第三方面提供了一种用于确定裂纹扩展阻力曲线的系统，包括裂纹扩展阻力曲线确定装置。

27、本技术第四方面提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令在被处理器执行时使得所述处理器被配置成执行上述的基于裂尖拘束量的裂纹扩展阻力曲线确定方法。

28、上述技术方案，通过提供的一种基于裂尖拘束量的裂纹扩展阻力曲线确定方法，基于构建的第一、第二有限元模型模拟出多个第一、第二尺寸管道，并确定每个第一、第二尺寸管道在多个裂纹扩展量下的多组工况数据；确定高拘束试样在第一、第二预设裂纹扩展量下的裂尖拘束度和断裂韧性，以确定第一尺寸管道分别在第一、第二预设裂纹扩展量下的无量纲断裂韧性、裂尖拘束度之间的第一、第二线性关系；确定第二有限元模型在第一、第二预设裂纹扩展量的第三、第四裂尖拘束度，以确定第一、第二实际断裂韧性；在第一、第二实际断裂韧性与第一、第二理论断裂韧性之间的相对误差均小于预设数值时，基于第一、第二线性关系构建针对第二尺寸管道的裂纹扩展阻力曲线。本方法能够明确第二尺寸管道环焊缝材料表观断裂韧性与第一尺寸管道断裂韧性的关联性，通过关联性修正能够得到可以修正的第二尺寸管道断裂韧性取值的裂纹扩展阻力曲线，实现了senb试样的断裂韧性测试结果可以适用于全尺寸管道焊缝材料，从而能够准确获取到全尺寸管道表观断裂韧性的准确值的技术效果。

29、本技术实施例的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。