[发明专利]针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法

权利要求书

1.针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)对长期工作的承压结构建立弹塑性本构模型，用以预测所述承压结构的弹塑性响应；在本步骤中，基于Ramberg-Osgood模型构建一个耦合材料各向同性的蠕变损伤的弹塑性本构模型，将所述承压结构所受到的蠕变损伤耦合到弹塑性本构模型中，预测长期服役后的承压结构的弹塑性响应，进而为估算其承载极限做准备；

所述弹塑性本构模型的构建方法为：

①不考虑氧化、腐蚀等环境因素的影响，从微观组织的角度分析，所述蠕变损伤受三种因素的综合影响：粒子粗化、固溶元素贫化以及微空洞形核长大；

设：

由粒子粗化导致的蠕变损伤为D_P；

由固溶元素贫化导致的蠕变损伤为D_S；

由微空洞形核长大导致的蠕变损伤为D_N；

D_P的损伤速率为：

$\begin{array}{cc}{\stackrel{\·}{D}}_P=\frac{K_P{(1-D_P)}^4}{3},& D_P\left(t_0\right)=0,D_P\left(t_r\right)=1\end{array}---(1-1)$

式中，t₀,t_r为蠕变开始时间和断裂时间；K_P为粒子粗化的速率常数；

D_S的损伤速率为：

$\begin{array}{cc}{\stackrel{\·}{D}}_S=K_S{D_S}^{1/3}(1-D_S),& D_s\left(t_0\right)=0,D_s\left(t_r\right)=1\end{array}---(1-2)$

式中，K_S为粒子析出的速率常数；

D_N的损伤速率为：

式中，A，υ，是与最小蠕变应变速率以及断裂相关的材料常数；

②将上述蠕变损伤的三种因素进行综合考虑，设总的蠕变损伤为D；

D的损伤速率为：

D＝1-(1-D_p)(1-D_s)(1-D_N)(1-4)

式中，D_p,D_s,D_N通过求解公式(1-1)、(1-2)、(1-3)的微分方程并根据相应的蠕变时间来确定；

③基于Ramberg-Osgood模型构建弹塑性本构模型

步骤(1)所述的Ramberg-Osgood模型与弹塑性本构基本的关系为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}+\mathrm{\α}{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_p}\right)}^n---(1-5)$

式中，E为弹性模量，ε为应变，σ为应力，σ_p为参考应力，n为非线性项的硬化参数，α为屈服偏移量；

将求解公式(1-4)中的D代入Ramberg-Osgood模型中，得到长期工作的承压结构蠕变损伤的弹塑性本构模型：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E(1-D)}+\mathrm{\α}{\left(\frac{\mathrm{\σ}}{(1-D){\mathrm{\σ}}_p}\right)}^n---(1-6);$

(2)在步骤(1)的基础上，得到含有蠕变损伤材料的力学特性，运用有限元分析方法，研究带各种形状、尺寸的凹坑及局部减薄缺陷的承压结构在内压或弯矩载荷作用下塑性区域的扩展过程和失效模式，研究各种凹坑及局部减薄缺陷所致的不同蠕变损伤对所述承压结构承载极限的影响，定量地算出所述承压结构的承载极限值；

所述的有限元分析方法是指基于增量有限元理论的分析方法，所述方法注重载荷加载过程，能关注到加载过程中结构应力-应变场的变化；其确定极限载荷的原理是：在有限元分析中将载荷不再增大或者有微量增大而位移或应变增量很大时的载荷确定为极限载荷，其步骤包括：

①载荷加载采用自动步长，迭代至有限元计算发散为止；

②通过已加载到发散的步长，得到对应的总的加载步长，然后确定发散时加载的载荷值；

③分析重点部位的加载步和应变的关系，通过载荷-位移曲线，确定结构的极限载荷；

(3)根据步骤(2)有限元的分析和计算结果及拟合公式，确定安全评定步骤，对含有蠕变损伤和/或体积型缺陷的承压结构进行安全评估，从而评估该承压结构的安全状态；

所述的安全评估包括：

①对含凹坑的承压结构的极限载荷的评估

Ⅰ、参数的无量纲化

设：缺陷尺寸的无量纲参数为g₀，其表达式为

$g_0=\frac{C}{T}\·\frac{A}{B}\·\frac{B}{R_m}\·{\left(\frac{R_m}{T}\right)}^{\frac{1}{2}}=\frac{C}{T}\·\frac{A}{\sqrt{R_{m}T}}---(1-7)$

式中，A,B,C分别代表缺陷轴向、环向和深度方向的尺寸；R_m，T表示圆筒的中径和壁厚；

因含凹坑的承压结构的极限载荷对上述无量纲参数g₀的平方根更加敏感，故

$G_0=\sqrt{g_0}---(1-8)$

Ⅱ、蠕变损伤的无量纲化

根据步骤(1)，蠕变损伤与蠕变时间的有一一对应的关系，故用相对的蠕变时间t_C表示蠕变损伤，t_r为蠕变断裂时间；

t_C＝t/t_r(1-9)

Ⅲ、极限载荷的无量纲化

极限载荷P_LR^C用P_LR^C＝P_L/P_L0来进行归一化，

式中，P_L和P_L0分别为有缺陷和无缺陷结构的极限载荷；

Ⅳ、极限载荷与凹坑缺陷尺寸G₀及蠕变损伤t_C的关系

根据所述步骤(2)的计算结果，对于不同t_C下的数据进行拟合，出于保守估计，考虑蠕变损伤的含凹坑圆筒的极限内压载荷拟合公式为

$\left\{\begin{array}{cc}{P_{LR}}^C=e^{-t_C}-0.3G_0& t_C\≤0.5\\ {P_{LR}}^C=e^{-t_C}-0.2G_0& t_C\>0.5\end{array}\right.---(1-10)$

②对含局部减薄缺陷的承压结构极限载荷的评估

Ⅰ、参数的无量纲化

Ⅰ-1、缺陷尺寸的无量纲化

设无量纲参数A_e

$A_e=c\·\sqrt[3]{abc}---(1-11)$

其中，a,b,c分别代表缺陷轴向、环向和深度方向的相对尺寸。

Ⅰ-2、蠕变损伤的无量纲化

步骤同①Ⅱ；

Ⅰ-3、极限载荷的无量纲化

步骤同①Ⅲ；

③极限载荷与减薄缺陷尺寸A_e及蠕变损伤t_C的关系

Ⅰ、纯内压下，根据所述步骤(2)的计算结果，对不同t_C下的数据进行拟合，出于保守估计，考虑蠕变损伤的含凹坑圆筒的极限内压载荷拟合公式为：

$\left\{\begin{array}{cc}{P_{LR}}^C=e^{-t_C}(0.95-0.85A_e)& a/b\≤7\\ {P_{LR}}^C=e^{-t_C}(0.95-1.04A_e)& 7\<a/b\≤25\\ {P_{LR}}^C=e^{-t_C}(0.95-1.47A_e)& a/b\>7\end{array}\right.---(1-12)$

Ⅱ、纯弯矩载荷作用下蠕变损伤与极限载荷的关系，拟合得到公式，为区别于内压，弯矩作用下的极限载荷用m_Ls来表示：

$\left\{\begin{array}{cc}{m}_{Ls}=e^{-t_C}\left(\cos \right(\frac{c\mathrm{\π}b}{2})-\frac{c\sin \left(\mathrm{\π}b\right)}{2})& c\<\frac{1-b}{b}\\ m_{Ls}=e^{-t_C}(1-c)\sin \[\frac{\mathrm{\π}(1-bc)}{2(1-c)}\]+\frac{c\sin \left(\mathrm{\π}b\right)}{2}& c\>\frac{1-b}{b}\end{array}\right.---(1-13).$

2.根据权利要求1所述的针对蠕变损伤及体积型缺陷的承压结构的安全评定方法，其特征在于，根据所述步骤(1)推导出的公式(1-1)到(1-4)，得出蠕变时间与损伤的关系图；若已知某材料蠕变的时间，则可推算出其总损伤量D，将D带入公式(1-6)，得出这一蠕变损伤下的应力应变关系图；根据应力应变关系图即可求得弹性模量，屈服强度，抗拉强度以及对应的应变等，将这些参数带入有限元软件，对各种形状尺寸的结构进行弹塑性分析，得到结构的载荷位移曲线，进而求出结构的极限载荷。