标准冲击试样和小冲击试样冲击功有限元模拟.pdf

第42卷第2期
石油化工设备
Vol 42 No. 2
2013年3月
PETRO-CHEMICAL EQUIPMENT
Mar.2013
文章编号:1000-7466(2013)02-0023-04
标准冲击试样和小冲击试样冲击功有限元模拟
朱兵,沈正军
(南京市锅炉压力容器检验研究院,江苏南京210002)
摘要:通过有限元分析软件 ABAQUS,以16MnR钢为例对标准冲击试样和小试样进行冲击功的
数值模拟,得出两者之间的关系,并与理论计算的结果进行比較。结果显示,对16MnR钢,在温度
86C、-50℃和一20C时小冲击试样与标准冲击试样的试验冲击功比值关系分别为0.9051
0.7143和0.5931,试验结果与理论计算结果相符。
关键词:冲击试样; ABAQUS;数值模拟
中图分类号:TK124;TE966文献标志码:Adoi:10.3969/j.isn.100027466.2013.02.006
Impact of Sample Size ABAQUS Finite Element Numerical Simulation
ZHU Bing, SHEN Zheng-jun
(Nanjing Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute, Nanjing 210002, China)
Abstract: Finite element analysis software ABAQUS was used on 16MNR steel, as an example
of the impact of the standard sample and the small sample of the numerical simulation of impact
energy, to obtain the relationship between the two drawn and the results of theoretical calcula
tions for comparison. Results showed, the material properties of 16MNR steel, at a temperature
of-86c, -50C, and -20 C impact test under the size of the ratio of impact energy 0.905 1
0.714 3, and 0.593 1 relationship, test results conforms to calculated results
Key words: specimen of impact test; ABAQUS; numerical simulation
在压力容器损伤及其寿命预测过程中,对在役
压力容器的筒体进行直接试验相当困难,一般只对
标准试样和小冲击试样
退役后的压力容器进行分析。利用冲击试验判断材
根据GB/T229-2007《金属材料夏比摆锤冲
料回火脆化程度时,实验室经常采用的是小试样而击试验方法》1,夏比V型缺口冲击试样有标准试
非标准试样。用标准试样进行冲击试验时,冲击功样(全尺寸试样10mmX10mm×55mm)和小尺寸
与回火脆化之间的对应关系已经成熟。而采用小试试样(非全尺寸试样10mmX5mmX55mm)2种
样进行冲击试验时,需将其冲击功转换成标准试样类型。标准试样的具体尺寸见图11-]。
的冲击功,因此,小试样冲击功和标准试样冲击功之
间的转换关系极为重要。
笔者査阅相关文献找出了理论推导得出的结
论,然后通过数值模拟得出新的结论并进行比较
在化工设备中,16MnR钢是应用最广泛的材料之
一,研究其小试样冲击功和标准试样冲击功之间的
转换关系具有重要意义。
图1夏比V型缺口冲击试样
收稿日期:2012-10-10
作者简介:朱兵(1985-),男,江苏兴化人,硕上研究生,从事压力容器和管道的检验及失效分析工作。
石油化工设备
2013年第42卷
利用 ABAQUS软件自带的 Explicit进行动力
理论计算结果
学计算。冲锤和支座设为刚体。为了在不影响计算
在绘制冲击功温度变化曲线图时,取合适的冲精度的前提下节省计算所需的时间,冲锤和支座的
击功值十分重要。结合不同学者所做的标准冲击试网格与冲击试样的网格比例取为1:50。
样和小冲击试样的实验可以看出,在具有韧-脆转变
模拟试验中冲锤的初始速度设定为5.24m/s。
温度特性的夏比V型缺口系列温度冲击试验中,小
模型材料为16MnR,其弹性模量E
冲击试样和标准冲击试样冲击功的比值关系应分3200GPa,泊松比ッ=0.3。16MnR在一86C
个阶段进行考虑1,]。
50℃C和一20℃下的应力-应变曲线见图3
(1)在上平台温度下,试样的断裂状态为全塑性
1200
断裂,其冲击功的损耗用以产生2个新自由表面和
-30℃
l000
一定体积的塑性变形。截面大的标准试样消耗的冲
On
击功比小尺寸试样消耗的明显大得多,也即小试样
600
冲击功Agx3与标准试样的冲击功AK1o的比值最小。
在上平台温度下,截面尺寸对试样的冲击功的影响
400
大,小尺寸试样冲击功与标准试样神击功的比值随
200
小尺寸试样宽度的减小旱线性缩减,即Axs/Ax1o≈
00.20.40.60.81.01.2
(2)在下平台温度下,试样处于平面应变状态,
图316MnR的应力-塑性应变曲线
其冲击功几乎都损耗于产生2个新的自由表面而很
计算采用被广泛用来研究金属材料的延性损伤
少损耗于产生塑性变形。在这种情况下,标准试样与断裂的GTN模型(由 Nergaard和 Needleman
由于截面积较大,其力学约束条件更严,冲击功也应修正的 Gurson模型)-8,该模型已经被引入
略大。但相对其尺寸的增加,冲击功儿乎没有増加, ABAQUS有限元软件。通过 ABAQUS帮助文件
标准试样因此显得更脆一些。在下平台温度下,小可以得本构方程如下
尺寸试样冲击功与标准试样神击功的差别很小,也
gi cos
1+gsf2)=0
就是说AKs/Akio的值最大。
(3)在过渡区温度下,小尺寸试样冲击功与标准
试样冲击功的比值为中间值。国际上通行的比例数
f是Aws/Aka=2/3,基本上等于包括上、下平台温度其中『=f。+-fs(rーf.)(f≤≤F)
在内的各系列温度下小尺寸试样冲击功与标准试样
冲击功比值的平均值
(f≥fr
数值模拟
式中,om为宏观 Mises等效应力,oy为材料屈服应
3.1模型
力,か为宏观静水应力,MPa;f"为等效孔洞体积分
考虑到模型为轴对称模型,取模型的4作为本数,f为损伤演化率,f。为临界孔洞体积分数,fF
文的研究对象,模型尺寸符合GB/T229-2007《金
为失效时的孔洞体积分数,为失效时的f”;q1、
属材料夏比摆锤冲击试验方法》规定,见图2
q2、gs均为材料的本构参数。
损伤演化方程由新孔洞形核和孔洞长大两部分
函数组成:
df=dfm
p<