钛-钢复合层板压力容器的裂纹扩展规律.pdf
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1、现 代 制 造 技 术 与 装 备242023 年第 7 期总第 320 期钛-钢复合层板压力容器的裂纹扩展规律古妮娜张胜军张丽娟 马青丽(兰州工业学院 机电工程学院,兰州 730050)摘要:在高压容器应用领域,钛-钢复合层板解决了高压容器存在的一些问题,但是其在高压容器的实际应用中随着环境的变化,表面容易出现裂纹及相关凹陷。因此,试图利用数值模拟的方法探析钛-钢复合层板材料压力容器的裂纹扩展规律,旨在促进复合层板压力容器疲劳破坏准则的建立,提高钛-钢复合材料层板的应用水平。关键词:压力容器;钛-钢复合层板;裂纹扩展Crack Propagation Law in Titanium Stee
2、l Composite Laminates Pressure VesselsGU Nina,ZHANG Shengjun,ZHANG Lijuan,MA Qingli(School of Mechatronic Engineering,LanZhou Institute of Technology,Lanzhou 730050)Abstract:In the application field of high pressure vessel,titanium steel composite material solves some disadvantages of high pressure
3、vessel.However,due to the actual application of titanium steel composite laminates in high pressure vessels,cracks and related dents are easy to appear on the surface with the change of environment,based on this,this paper attempts to analyze the crack propagation rule of titanium steel composite la
4、minates pressure vessels by numerical simulation.The purpose is to promote the establishment of fatigue failure criteria for composite laminate pressure vessels and promote the application level of titanium steel composite laminates.Keywords:pressure vessel;titanium-steel composite laminate;crack pr
5、opagation随着工业化进程的不断发展,越来越多的产品生产模式及加工方式发生了质的变化。基于传统材料构建的产品已经无法满足当前多元化需求的工程项目,而复合材料的出现解决了当前压力容器领域的部分难题。基于两种或两种以上的复合层板材料具有高自由度、较高的强度、较强的抗腐蚀性能、质量轻以及成本低等优点,完美契合了当前工业化发展需求,已经广泛应用于航空航天、建筑以及高压容器等领域1。在高压容器应用领域,钛-钢复合材料融合了钛抗腐蚀性强和钢的高强度、高弹性特点,解决了高压容器存在的一些问题。但是,钛-钢复合层板在高压容器的实际应用中会随着环境的变化,在表面容易出现裂纹及相关凹陷。因此,文章以钛-钢复
6、合层板压力容器为切入点,重点分析其裂纹扩展规律,旨在促进复合层板压力容器疲劳破坏准则的建立,提高钛-钢复合材料层板的应用水平。1文献综述及理论基础近年来,国内众多学者对复合层板材料裂纹进行了研究。通过梳理相关文献资料发现,学者们大部分是通过具体实验对结合界面相关性能进行分析探索,而针对复合层板材料表面裂纹扩展的研究较少。另外,在考察复合层板材料的裂纹扩展规律及使用寿命的过程中,常常使用效率低、成本高的大型压力容器,存在资源浪费现象2。文章试图利用数值模拟的方法探析钛-钢复合层板材料压力容器的裂纹扩展规律,通过比较高压容器表面裂纹尖端名义驱动力与实际驱动力之间的关系,详细诠释钛-钢复合层板压力容
7、器材料的不连续性对裂纹扩展的规律影响。裂纹尖端驱动力的测算公式为 22apptipapp1;,vJKEKJJFN vEL=(1)式中:Japp为裂纹扩展的名义驱动力;Jtip为复合层板材料裂纹扩展的实际驱动力;K为层板材料高压容器裂纹尖端应力的强度因素;E为基于钢材料表示复合材料的弹性模量;为构件修正系数的应力矢量;N为数据点的总数;v为复合材料的泊松比率;F为无量纲施加的载荷,F1 表示复合层板高压容器裂纹尖端扩大;()/KL为一个比率,表示函数公式的规律是单调基金项目:兰州工业学院 2021 年度青年科技创新项目“钛-钢复合层板压力容器垂直界面裂纹扩展行为的研究”(2021K-014);甘
8、肃省教育厅 甘肃省高等学校创新基金项目“B-S 模式下的辅导员级学生日常信息管理平台的开发研究”(2021A-165)。设 计 与 研 究25递增还是单调递减。裂纹尖端的塑性尺寸为 2114 2psKR=(2)式中:Rp为裂纹尖端塑性区尺寸;K1为裂纹应力强度因子;s为裂纹尖端应力场的偏差平方。另外,可以应用应力强度因子范围,其中K为钛-钢复合层板材料高压容器裂纹尖端驱动力。这里可以用Ktip代表裂纹尖端实际的应力因素强度,用Kapp代表裂纹尖端名义应力强度因子,则计算公式为()()()tip1maxminapp1122maxminKYaKYf Ef Ea=+(3)式中:Y为高压容器构建的几何
9、修正系数;max为裂纹尖端应力变化的最大值;min为裂纹尖端应力变化的最小值;f1为钛-钢复合层板高压容器裂纹尖端前方材料 1 的体积系数;f2为钛-钢复合层板高压容器裂纹尖端前方材料 2 的体积系数。通过对比,得出 tip1app1122KEKf Ef E=+(4)2基于有限元分析法分析层板压力容器的裂纹扩展路径通过梳理分析前人研究成果,利用数值模拟的方法,实现了对钛-钢复合层板压力容器的裂纹扩展的分析。基于有限元软件的分析结果继续分析扩展路径,当裂纹尖端初始角度在 0 90时,复合材料压力容器的表面裂纹和高压容器内部的裂纹情况均能表现出来,可以进一步分析影响裂纹扩展路径的规律3。另外,利用
10、有限元分析软件对钛-钢复合层板压力容器的裂纹扩展进行数值模拟,要先假设钛和钢两种材料是完美契合状态,并将钛-钢复合材料的界面厚度设置为 0,利用压力容器裂纹尖端附近部分及单元与复合层板结合界面的具体网格处理,提升数值模拟的精细程度,减少复合层板材料压力容器裂纹尖端应力变化范围对分析结果的影响。此外,需要保持复合层板材料压力容器远离裂纹尖端或者结合界面区域4。为了提升有限元软件数值模拟的准确度和提高计算效率,网格划分的设定可以以较大单位进行设置。钛-钢复合层板材料压力容器表面裂纹扩展的具体路径,如图 1 所示。图 1(a)表示基于复合材料压力容器内部作用力的效果下,复合层板材料压力容器表面呈现出
11、垂直于压力器壁厚方向扩展延伸和向外表面方向扩展的趋势。图 1(b)表示钛-钢复合层板材料压力容器外表面的裂纹扩展由于临界点尺寸的变化,致使裂纹扩展至压力容器内部失效。U,Hagnitude+6.70810-2+6.27110-2+5.83510-2+5.39810-2+4.96110-2+4.52510-2+4.08810-2+3.65110-2+3.21510-2+2.77810-2+2.34110-2+1.90410-2+1.45810-2(a)压力容器表面微小裂纹沿压力容器壁厚和外表面方向扩展S,Mises(Avg:75%)+1.031101+9.537100+8.761100+7.98
12、5100+7.209100+6.433100+5.657100+4.880100+4.104100+3.328100+2.552100+1.776100+9.99510-1(b)压力容器外表面裂纹由临界尺寸开始扩展图 1压力容器外表面裂纹扩展路径(单位:MPa)钛-钢复合层板材料压力容器内表面的裂纹扩展情况及路径,如图 2 所示。通过软件模拟发现,在一定条件下,钛-钢复合层板材料压力容器的裂纹在外表面裂纹扩展路径与内表面扩展路径上存在显著差异,而存在明显差异的原因并不在于钛-钢复合层板材料的力学性能等相关参数。3钛-钢复合层板材料压力容器裂纹扩展数值模拟结果分析3.1钛-钢复合层板材料压力容器
13、裂纹数值模拟整体分析钛-钢复合层板材料压力容器模型在容器内壁上现 代 制 造 技 术 与 装 备262023 年第 7 期总第 320 期承受垂直周向载荷。在不同类型的裂纹扩展过程中,裂纹角度不同,裂纹的扩展路径基本沿垂直界面方向5。下面对初始角度=0的容器表面裂纹的扩展路径进行扩展,而对其余情况的裂纹角度和裂纹尖端扩展进行了分析和整合。裂纹扩散模拟完成后,提取结果 ODB 文件,将相应的数据代入方程,有1102lim(1)sin(1)(1)cos(1)(3)sin(1)(3)cos(1)iriiriiKabrcd=+(5)d()dnacKN=(6)得出钛-钢复合层板材料压力容器尖端裂纹扩散K
14、-da/dN和a-da/dN的最终曲线,如图 3 和图 4 所示。U,Magnibude+8.65110-2+8.02310-2+7.39610-2+6.76810-2+6.14110-2+5.51310-2+4.88610-2+4.25810-2+3.63110-2+3.00310-2+2.37510-2+1.74810-2+1.12010-2(a)裂纹从压力容器外表面扩展路径U,Magnibude+1.85910-1+1.71110-1+1.56210-1+1.41310-1+1.26510-1+1.11610-1+9.67710-2+8.19110-2+6.70510-2+5.21910
15、-2+3.73310-2+2.24710-2+7.61010-3(b)裂纹从压力容器外表面扩展路径图 2压力容器内表面裂纹扩展路径(单位:MPa)10-4 10-5 10-6512a/mmK/(MPa m1/2)/(mm cycle-1)dadN接口345679111315图 3复合层板压力容器裂纹扩展的K-da/dN曲线(内部)10-4 10-5 10-623a/mm/(mm cycle-1)dadN接口456785K/(MPa m1/2)7911131517图 4复合层板压力容器裂纹扩展的a-da/dN曲线(外部)图 3 和图 4 显示,当来自压力容器不同表面的第一条裂纹接近界面时,裂纹的
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