mechCalc 的 BS 7910 断裂评定计算器 按 BS 7910:2019 第 7 章的评定程序判定已知缺陷是否可接受(BS 7910:2019, §7.2, §7.3)。

适用范围

能算什么

  • 规范版次:BS 7910:2019 及其第 1 号勘误 BS 7910:2019+C1:2025。
  • 分析类型:起裂分析,对给定的缺陷尺寸求一个评定点(BS 7910:2019, §7.2.12 a))。
  • 失效评定曲线(FAL):Option 1(BS 7910:2019, §7.3.3, Eq. (7.26)–(7.28))与 Option 2(BS 7910:2019, §7.3.4, Eq. (7.34), (7.35));两者都可选连续屈服或不连续屈服。
  • 断裂比:$K_r=(K_I^P+K_I^S)/K_{mat}+\rho$(BS 7910:2019, §7.3.6, Eq. (7.39))。
  • 一次应力强度因子 $K_I^P$:按 Annex M 计算,或直接输入(如取自有限元模型)(BS 7910:2019, Annex M, §M.1)。
  • 二次应力强度因子 $K_I^S$:无二次应力、由 $Q_m$、$Q_b$ 按 Annex M 计算(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.5)),或直接输入。
  • 塑性交互修正 $\rho$:按 Annex R 计算(BS 7910:2019, Annex R, §R.2.2, Eq. (R.1), (R.2))、直接输入或取零。
  • 断裂韧性 $K_{mat}$:直接输入。
  • 参考应力 $\sigma_{ref}$:按 Annex P 计算(BS 7910:2019, Annex P)。
  • 应力放大系数:$k_{tm}$、$k_{tb}$、$M_{km}$、$M_{kb}$、$k_m$ 直接输入,按 Eq. (M.4) 作用于 $K_I^P$(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.4))。
  • 裂纹类型共 19 类,下拉框标签里写有各类所用的 Annex M 与 Annex P 条款(BS 7910:2019, Annex M, Annex P):
    • 平板 7 类:表面半椭圆裂纹 (M.4.1 / P.5.1)、穿透裂纹 (M.3.1 / P.4.1)、埋藏椭圆裂纹 (M.4.5 / P.5.3)、边缘穿透裂纹 (M.3.2 / P.4.2)、表面裂纹,多项式应力 (M.4.2 / P.5.1)、延伸表面裂纹 (M.4.3 / P.5.2)、延伸表面裂纹,多项式应力 (M.4.4 / P.5.2)。
    • 圆筒轴向 6 类:穿透裂纹 (M.7.2.1 / P.8.1)、内表面裂纹 (M.7.2.2 / P.8.2)、内表面延伸裂纹 (M.7.2.3 / P.8.3)、外表面裂纹 (M.7.2.4 / P.8.4)、外表面延伸裂纹 (M.7.2.5 / P.8.5)、埋藏裂纹 (M.7.2.6 / P.9.6)。
    • 圆筒环向 6 类:穿透裂纹 (M.7.3.1 / P.9.1)、内表面裂纹 (M.7.3.2 / P.9.2)、内表面全周裂纹 (M.7.3.3 / P.9.3)、外表面裂纹 (M.7.3.4 / P.9.4)、外表面全周裂纹 (M.7.3.5 / P.9.5)、埋藏裂纹 (M.7.3.6 / P.9.6)。
  • 两点评定:半椭圆表面裂纹 6 类(平板的表面半椭圆裂纹、表面裂纹多项式应力,圆筒轴向与环向的内、外表面裂纹)在最深点与表面点各评定一点,两点都可接受时缺陷才可接受(参照 BS 7910:2019+C1:2025, Annex B, §B.5.6);其余类型评定一点。

不能算什么

以下各项均为本计算器未实现,不是规范未规定。

  • Option 3 失效评定曲线(BS 7910:2019, §7.3.5, Eq. (7.36), (7.37))。
  • 延性撕裂分析(BS 7910:2019, §7.3.8)。
  • 按 Eq. (7.38) 以 $V$ 乘 $K_I^S$ 的断裂比(BS 7910:2019, §7.3.6, Eq. (7.38);Annex R, §R.2.2, Eq. (R.3))。
  • 由夏比冲击功估算 $K_{mat}$(BS 7910:2019, Annex J)、由 J 积分或 CTOD 换算 $K_{mat}$(BS 7910:2019, §7.1.4.6, Eq. (7.15)–(7.17))、按焊缝试样数据求 $K_{mat}$(BS 7910:2019, Annex L)。
  • 由焊趾几何求 $M_{km}$、$M_{kb}$(BS 7910:2019, Annex M, §M.11.1.2, Eq. (M.43)),由错边几何求 $k_m$(BS 7910:2019, Annex D, Eq. (D.1))。
  • 拘束修正(BS 7910:2019, Annex N)与强度失配修正(BS 7910:2019, Annex I)。
  • 由焊接残余应力分布经权函数求 $K_I^S$(BS 7910:2019, Annex Q;Annex M, §M.4.2, §M.4.4)。
  • 角裂纹(BS 7910:2019, Annex P, §P.6.1)、孔边角裂纹(BS 7910:2019, Annex P, §P.6.2, §P.6.3)、球壳穿透裂纹(BS 7910:2019, Annex P, §P.11)、圆棒与螺栓裂纹(BS 7910:2019, Annex P, §P.12)、厚壁圆筒的极限载荷解(BS 7910:2019, Annex P, §P.8.6–§P.8.8, §P.10)。
  • 缺陷表征与相互作用(BS 7910:2019, §7.1.2):本计算器按输入的缺陷尺寸直接评定。
  • 只有二次应力作用时按 R6 的 $K_J^s$ 评定(BS 7910:2019, Annex R, §R.1)。
  • 蠕变评定(BS 7910:2019, Clause 9)。疲劳裂纹扩展(BS 7910:2019, Clause 8)由「Clause 8:疲劳裂纹扩展计算器(E2)」 计算。

输入卡一览

卡 标题 何时出现
— 评定选项 (FAD) 恒显示;「应变硬化指数 $n$ 来源」只对 Option 2,选「直接输入 n 值」时显示 $n$;「吕德斯应变来源」只对不连续屈服,选「直接输入 Δε」时显示 $\Delta\varepsilon$
1 1. 裂纹/缺陷类型 恒显示;$c$ 不对穿透、延伸与全周类显示;$p$ 只对 3 类埋藏裂纹
2 2. 构件几何 恒显示;$W$ 不对圆筒环向 6 类与平板延伸表面 2 类显示;$r$ 只对圆筒;「弯曲约束条件 ($\sigma_{ref}$)」只对平板的表面半椭圆、表面多项式应力与 2 类延伸表面裂纹
3 3. 应力与多项式系数 恒显示;多项式应力 2 类显示 $\sigma_0$–$\sigma_5$ 与「$\sigma_{ref}$ 线性化方法」,不显示 $P_m$、$P_b$;$P_{m,b}$ 只对圆筒环向 6 类;$Q_m$、$Q_b$ 只在「二次(残余/热)载荷」选「输入 Q_m / Q_b 应力(→ K_I^S 由 Annex M 计算)」且不是多项式应力类时;直接输入的 $K_I^P$、$K_I^S$ 随各自的来源出现,表面点一栏只对两点评定的 6 类
4 4. 应力放大系数(焊趾/错边/集中) 恒显示;「错边弯曲应力按何类应力处理」只在 $k_m>1$ 时;「直接输入的 $K_I^P$ 已含错边」只在直接输入 $K_I^P$ 且 $k_m>1$ 时,未选择时不能计算;「应力已含焊趾」选「是——M_k 取 1」时 $M_{km}$、$M_{kb}$ 置灰并取 1
5 5. 材料 恒显示
6 6. 断裂韧性 恒显示
7 7. 塑性交互作用 恒显示;直接输入的 $\rho$ 随来源出现,表面点一栏只对两点评定的 6 类

输入

裂纹类型

裂纹类型同时确定构件形状与缺陷类型。本计算器按所选类型调用对应的 Annex M 解求 $K_I$、Annex P 解求 $\sigma_{ref}$,两解的条款号写在各选项的括号内。

怎么取值

  • 先在「几何分组」选平板、圆筒轴向或圆筒环向裂纹,再在「缺陷类型」选具体类型。
  • 半椭圆表面裂纹(平板表面裂纹与圆筒内、外表面裂纹)在最深点与表面点两点评定;埋藏裂纹在近表面点评定;圆筒穿透裂纹的 $K_I^P$ 取内、外壁两处中较大者。
  • Annex M 各解的适用性严格限于所列范围,不应外推(BS 7910:2019, Annex M, §M.1)。Annex P 越界,或由 Annex M 求 $K_I^P$ 时 Annex M 越界,本计算器拒绝计算,并给出越界的参数、限值与条款。

规范出处:BS 7910:2019, Annex M, §M.1

裂纹深度 (a) [mm]

穿透缺陷取半长,表面缺陷取高度,埋藏缺陷取半高(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

本计算器不做缺陷表征与相互作用(BS 7910:2019, §7.1.2),按输入的 $a$ 直接评定。

  • 计算器只接受 $a \ge 0.01$ mm。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0

裂纹半长 (c) [mm]

表面缺陷或埋藏缺陷的半长(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

穿透裂纹、延伸表面裂纹与全周裂纹不用 $c$,选这些类型时本字段不显示。

  • 计算器只接受 $c \ge 0.01$ mm。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0

壁厚 (B) [mm]

缺陷所在平面的截面厚度(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

本计算器把同一个 $B$ 用于求 $K_I$ 的 Annex M 解与求 $\sigma_{ref}$ 的 Annex P 解。

  • 计算器只接受 $B \ge 0.1$ mm。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0

构件宽度 (W) [mm]

试样或结构宽度(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

  • 圆筒轴向裂纹填沿轴向的长度,即图 M.14、图 M.15 标注的 $W$(BS 7910:2019, Annex M, §M.7.2.1, Figure M.14; §M.7.2.2, Figure M.15)。

  • 平板表面裂纹:$W\ge2(c+B)$ 时 Annex P 用局部解,$W\lt 2(c+B)$ 时用整体解(BS 7910:2019, Annex P, §P.5.1)。

  • 圆筒环向裂纹与平板延伸表面裂纹不显示本字段。

  • 计算器只接受 $W \ge 1$ mm。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; Annex M, §M.7.2.1, Figure M.14; §M.7.2.2, Figure M.15; Annex P, §P.5.1

埋藏裂纹韧带距离 (p) [mm]

材料表面到埋藏缺陷的最短距离(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

  • 埋藏缺陷的 Annex M 解用有效厚度 $B'=2a+2p$(BS 7910:2019, Annex M, §M.4.5.1)。

  • 只对埋藏裂纹显示。

  • 计算器只接受 $p \ge 0.01$ mm。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; Annex M, §M.4.5.1

几何半径 (r) [mm]

圆筒裂纹类型在本字段填内半径 $r_i$(BS 7910:2019, Annex M, §M.0)。

怎么取值

只对圆筒裂纹类型显示。圆筒环向裂纹的 $W=2\pi r_m$ 由本计算器按 $r_m=r_i+B/2$ 算出。

  • 计算器只接受 $r \ge 0.1$ mm。

规范出处:BS 7910:2019, Annex M, §M.0

一次膜应力 (P_m) [MPa]

一次膜应力(BS 7910:2019, §7.0)。一次应力来自参与塑性失稳的载荷(BS 7910:2019, §7.2.2)。

怎么取值

  • 圆筒环向裂纹只填轴向载荷与压力引起的膜应力,整体弯矩引起的膜应力填「整体弯矩引起的膜应力($P_{m,b}$)」。

  • 两类多项式应力裂纹类型不显示本字段,改用 $\sigma_0$ 至 $\sigma_5$。

  • 「取自:」旁的「线性化一次应力」按钮从应力线性化计算器回填 $P_m$、$P_b$。

  • 计算器只接受 $P_m \ge 0$ MPa。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_I^P$ 按式 (M.4) 增大,$\sigma_{ref}$ 也增大,$K_r$ 与 $L_r$ 随之增大(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.4); §7.3.7, Eq. (7.40))。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.2.2; Annex M, §M.1, Eq. (M.4); §7.3.7, Eq. (7.40)

整体弯矩引起的膜应力(P_m,b) [MPa]

整体弯矩引起的一次膜应力(BS 7910:2019, Annex P, §P.0)。

怎么取值

  • 只对圆筒环向裂纹显示。填缺陷处整体弯矩引起的拉应力;缺陷处受压时填 0。

  • 由整体弯矩换算:$P_{m,b}=4M_{global}(r_i+a)/\{\pi[(r_i+B)^4-r_i^4]\}$(BS 7910:2019, Annex M, §M.7.3.2, Eq. (M.29))。

  • Annex M 把 $P_{m,b}$ 加到 $P_m$ 上计入整体弯矩(BS 7910:2019, Annex M, §M.7.3.2)。Annex P 的式 (P.22) 单列 $P_{m,b}$ 项(BS 7910:2019, Annex P, §P.9.1, Eq. (P.22)),P.9.2 的 $P_m$ 为外部弯曲、轴向载荷与压力引起的总膜应力(BS 7910:2019, Annex P, §P.9.2)。

  • 计算器只接受 $P_{m,b} \ge 0$ MPa。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_I^P$ 与 $\sigma_{ref}$ 增大(BS 7910:2019, Annex M, §M.7.3.2; Annex P, §P.9.1, Eq. (P.22))。

规范出处:BS 7910:2019, Annex P, §P.0; Annex M, §M.7.3.2, Eq. (M.29); Annex P, §P.9.1, Eq. (P.22); §P.9.2

一次弯曲应力 (P_b) [MPa]

一次弯曲应力(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

  • $P_b$ 可为负。带符号的 $P_b$ 用于求 $K_I$,$|P_b|$ 用于求 $\sigma_{ref}$。
  • 本计算器的符号约定:表面裂纹:缺陷所在表面受拉为正;
  • 埋藏裂纹:离缺陷较近的表面受拉为正;
  • 平板穿透裂纹与边缘穿透裂纹:$z=0$ 一侧受拉为正,本计算器在 $z=0$ 处调用 Annex M;
  • 圆筒穿透裂纹:外表面受拉为正,与 Annex M 对贯穿壁厚弯曲的定义(外表面受拉、内表面受压)一致(BS 7910:2019, Annex M, §M.7.2.1)。

一次应力使 $K_I^P\lt 0$ 时拒绝计算。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; Annex M, §M.7.2.1

弯曲约束条件 (σ_ref)

Annex P 对平板表面裂纹的参考应力给出两式:正常弯曲约束(如固定夹持下的拉伸加弯曲)用式 (P.9),可忽略弯曲约束(如铰接)用式 (P.10)(BS 7910:2019, Annex P, §P.5.1, Eq. (P.9), (P.10))。本字段选择计算所用的式子。

怎么取值

  • 对平板表面裂纹与延伸表面裂纹显示;延伸表面裂纹的两式均取 $a''=a/B$(BS 7910:2019, Annex P, §P.5.2)。
  • 默认「受约束(公式 P.9,固支)」。

对结果的影响

  • 铰接:式 (P.10) 把式 (P.9) 中的 $P_b$ 换成 $P_b+3P_ma''$,同一缺陷与应力下 $\sigma_{ref}$ 与 $L_r$ 更高(BS 7910:2019, Annex P, §P.5.1, Eq. (P.9), (P.10))。

规范出处:BS 7910:2019, Annex P, §P.5.1, Eq. (P.9), (P.10); §P.5.2

二次膜应力 (Q_m) [MPa]

二次膜应力(BS 7910:2019, §7.0)。二次应力来自不参与塑性失稳的载荷(BS 7910:2019, §7.2.2)。

怎么取值

  • 缺陷相对热应力、残余应力的影响区很小时(如弹性跟随大),这类应力起一次应力作用,应计入 $K_r$ 与 $L_r$(BS 7910:2019, §7.1.8)。判不清是否存在弹性跟随时,载荷按载荷控制即一次应力归类(BS 7910:2019, §7.1.11)。本计算器把这类应力计入 $L_r$ 的前提是它填在 $P_m$、$P_b$ 中。
  • 把全部载荷按一次应力处理是简化分析;二次应力为拉应力时,它低估载荷裕度(BS 7910:2019, §7.2.2)。
  • 热应力(一次与二次)应乘相应的应力集中系数与错边系数 $k_t$、$k_m$(BS 7910:2019+C1:2025, §6.4.3);二次应力不受结构不连续影响,按一次处理的热应力除外(BS 7910:2019+C1:2025, §6.4.4.1)。
  • 本计算器按 $(Y\sigma)_s=M_mQ_m+M_bQ_b$ 计算,式中不含 $k_t$、$k_m$(BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1, Eq. (M.5)),故 $Q_m$、$Q_b$ 按缺陷位置的局部应力填写,即无缺陷结构应力分析得到的值(BS 7910:2019+C1:2025, §6.4.1):含不连续几何的无缺陷有限元模型的局部值:直接填;
  • 只有名义热应力且缺陷位于结构不连续区:先乘热载荷适用的 $k_t$(贯穿接头的热膜力再乘 $k_m$)后再填,不放大则结果偏不保守;
  • 焊接残余应力:填缺陷位置的局部值。

「⊞ 分项计算二阶应力」把 $Q_m$、$Q_b$ 拆成非焊接二次与焊接残余两项并自动合计。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_I^S$ 按式 (M.5) 增大,$K_r$ 按式 (7.39) 随之增大;$L_r$ 不变(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.5); §7.3.6, Eq. (7.39); §7.3.7)。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.1.8; §7.1.11; §7.2.2; BS 7910:2019+C1:2025, §6.4.1; §6.4.3; §6.4.4.1; Annex M, §M.1, Eq. (M.5)

二次弯曲应力 (Q_b) [MPa]

二次弯曲应力(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

与「二次膜应力 ($Q_m$)」同样填缺陷位置的局部值。本计算器把它计入式 (M.5) 的 $M_bQ_b$ 项,不乘 $k_{tb}$、$k_m$(BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1, Eq. (M.5))。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_I^S$ 增大,$K_r$ 随之增大;$L_r$ 不变(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.5); §7.3.6, Eq. (7.39); §7.3.7)。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1, Eq. (M.5)

非焊接二次·膜应力 [MPa]

点「⊞ 分项计算二阶应力」后显示的非焊接二次应力膜分量。本计算器把它与「焊接残余·膜应力」相加,作为 $Q_m$。

怎么取值

留空按 0 计。「取自:」旁的「线性化二次应力」按钮从应力线性化计算器取膜分量与弯曲分量。

规范出处:BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1, Eq. (M.5)

非焊接二次·弯曲应力 [MPa]

点「⊞ 分项计算二阶应力」后显示的非焊接二次应力弯曲分量。本计算器把它与「焊接残余·弯曲应力」相加,作为 $Q_b$。

怎么取值

留空按 0 计。「非焊接二次·膜应力」的「线性化二次应力」按钮会同时填入本字段。

规范出处:BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1, Eq. (M.5)

焊接残余·膜应力 [MPa]

点「⊞ 分项计算二阶应力」后显示的焊接残余应力膜分量。本计算器把它与「非焊接二次·膜应力」相加,作为 $Q_m$。

怎么取值

留空按 0 计。「取自:」旁的「焊接残余 (Annex Q)」按钮从 Annex Q 残余应力计算器取膜分量与弯曲分量。

规范出处:BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1, Eq. (M.5)

焊接残余·弯曲应力 [MPa]

点「⊞ 分项计算二阶应力」后显示的焊接残余应力弯曲分量。本计算器把它与「非焊接二次·弯曲应力」相加,作为 $Q_b$。

怎么取值

留空按 0 计。「焊接残余·膜应力」的「焊接残余 (Annex Q)」按钮会同时填入本字段。

规范出处:BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1, Eq. (M.5)

膜应力集中系数 (k_tm)

总体结构不连续处(如压力容器接管、管结构的主要相贯处)的膜应力集中系数;求裂纹驱动力 $K_I$ 时以它乘施加应力(BS 7910:2019, §6.4.4.2)。

怎么取值

  • 本计算器按式 (M.4) 把它乘在 $K_I^P$ 的膜应力项上,不用于 $\sigma_{ref}$ 与 $K_I^S$(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.4))。默认 1.0。

  • 缺陷位于局部结构不连续(孔、缺口、尖角)的应力集中区内时,应同时计入应力集中对断裂与塑性失稳的影响,峰值应力可取施加应力乘 $k_t$(BS 7910:2019, §6.4.4.4);这类峰值应力填在 $P_m$、$P_b$ 中时,本计算器把它计入塑性失稳。

  • 计算器只接受 $k_{tm} \ge 1$。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_I^P$ 与 $K_r$ 增大;$L_r$ 不变(BS 7910:2019, §6.4.4.2; Annex M, §M.1, Eq. (M.4))。

规范出处:BS 7910:2019, §6.4.4.2; §6.4.4.4; Annex M, §M.1, Eq. (M.4)

弯曲应力集中系数 (k_tb)

弯曲应力集中系数(BS 7910:2019, §7.0),用于总体结构不连续处求裂纹驱动力 $K_I$(BS 7910:2019, §6.4.4.2)。

怎么取值

本计算器按式 (M.4) 把它乘在弯曲项 $P_b+(k_m-1)P_m$ 上(属 $K_I^P$),不用于 $\sigma_{ref}$ 与 $K_I^S$(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.4))。默认 1.0。

  • 计算器只接受 $k_{tb} \ge 1$。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_I^P$ 与 $K_r$ 增大;$L_r$ 不变(BS 7910:2019, §6.4.4.2; Annex M, §M.1, Eq. (M.4))。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §6.4.4.2; Annex M, §M.1, Eq. (M.4)

应力已含焊趾

输入的 $P_m$、$P_b$ 是否来自已含焊趾几何细节的分析,如含焊趾的有限元模型。

怎么取值

  • 焊趾引起的应力集中不参与塑性失稳,但会增大应力强度因子(BS 7910:2019, §6.4.4.4)。
  • 选「是——M_k 取 1」时,本计算器取 $M_{km}=M_{kb}=1$,两栏置灰显示 1,并在计算步骤与报告中注明。
  • 默认「否」。

规范出处:BS 7910:2019, §6.4.4.4

焊趾膜应力放大系数 (M_km)

焊趾缺陷的应力强度放大系数,膜分量(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

本计算器按式 (M.4) 把它乘在 $K_I^P$ 的膜应力项上(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.4))。默认 1.0;「应力已含焊趾」选「是——M_k 取 1」时固定为 1。

  • 计算器只接受 $M_{km} \ge 1$。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_I^P$ 与 $K_r$ 增大;$L_r$ 不变(BS 7910:2019, §6.4.4.4; Annex M, §M.1, Eq. (M.4))。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §6.4.4.4; Annex M, §M.1, Eq. (M.4)

焊趾弯曲应力放大系数 (M_kb)

焊趾缺陷的应力强度放大系数,弯曲分量(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

本计算器按式 (M.4) 把它乘在弯曲项 $P_b+(k_m-1)P_m$ 上(属 $K_I^P$)(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.4))。默认 1.0;「应力已含焊趾」选「是——M_k 取 1」时固定为 1。

  • 计算器只接受 $M_{kb} \ge 1$。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_I^P$ 与 $K_r$ 增大;$L_r$ 不变(BS 7910:2019, §6.4.4.4; Annex M, §M.1, Eq. (M.4))。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §6.4.4.4; Annex M, §M.1, Eq. (M.4)

错边系数 (k_m)

错边引起的应力放大系数(BS 7910:2019, Annex D, §D.0):$k_m=1+\sigma_s/P_m$,其中 $\sigma_s$ 为错边引起的弯曲应力(BS 7910:2019, Annex D, §D.1, Eq. (D.1))。

怎么取值

本计算器按式 (M.4) 把 $(k_m-1)P_m$ 加入 $K_I^P$ 的弯曲项(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.4))。默认 1.0;$k_m\gt 1$ 时显示「错边弯曲应力按何类应力处理」。

  • 计算器只接受 $k_m \ge 1$。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_I^P$ 按式 (M.4) 增大;按默认的一次应力处理时,$\sigma_{ref}$ 也增大(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.4))。

规范出处:BS 7910:2019, Annex D, §D.0; §D.1, Eq. (D.1); Annex M, §M.1, Eq. (M.4)

错边弯曲应力按何类应力处理

错边引起的弯曲应力 $(k_m-1)P_m$ 按何类应力处理。「一次应力(进 K_I^P 与 σ_ref)」:进 $K_I^P$(式 (M.4))也进 $\sigma_{ref}$,Annex P 的弯曲应力取 $P_b+(k_m-1)P_m$。「二次应力(只进 K_r,不进 L_r)」:其 K 贡献计入 $K_I^S$,不进 $\sigma_{ref}$。

怎么取值

  • 按一次应力处理错边应力偏保守,部分情况下其作用如同二次应力,即影响 $K_r$ 而不影响 $L_r$(BS 7910:2019, Annex D, §D.1)。
  • 错边弯曲应力按施加膜应力 $P_m$ 的函数给出(BS 7910:2019+C1:2025, Annex D, §D.1);选「二次应力(只进 K_r,不进 L_r)」时,求载荷储备因子时其 K 贡献仍随一次载荷按比例放大。角变形与轴向错边同时存在时,角变形分量会减小总应力(BS 7910:2019+C1:2025, Annex D, §D.1, Table D.1);此时净弯曲随载荷的增长快于线性,按比例放大偏不保守。
  • 只在 $k_m\gt 1$ 时显示。

规范出处:BS 7910:2019, Annex D, §D.1; BS 7910:2019+C1:2025, Annex D, §D.1, Table D.1; Annex M, §M.1, Eq. (M.4)

直接输入的 K_I^P 已含错边

直接输入的 $K_I^P$(半椭圆表面裂纹两点都算)是否已含错边弯曲的贡献,如有限元按含错边的实际几何建模。只在直接输入 $K_I^P$ 且 $k_m\gt 1$ 时显示,且必须选择。

怎么取值

  • 「是,直输值已含错边」:不再另加错边项。
  • 「否,由程序按 Annex M 补算」:本计算器按输入的 $k_m$ 与 $k_m=1$ 各算一次 Annex M,取差值为错边 K 增量 $\Delta K_{km}$,即式 (M.4) 中 $(k_m-1)P_m$ 项的贡献(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.4));错边按一次应力时把 $\Delta K_{km}$ 加到 $K_I^P$,按二次应力时加到 $K_I^S$。Annex M 越界时拒绝计算。
  • 选「是」且错边按二次应力时,错边贡献留在直输的 $K_I^P$ 内、不进 Annex R 的比值 $K_I^S/(K_I^P/L_r)$,$\rho$ 比计入 $K_I^S$ 时略小,偏不保守;$\rho$ 受 $0\le\rho\le\rho_1\le0.25$ 限制(BS 7910:2019, Annex R, §R.2.2, Eq. (R.1), (R.2))。
  • 选定前不能计算。

规范出处:BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.4); Annex R, §R.2.2, Eq. (R.1), (R.2)

多项式应力 σ_0 [MPa]

$\sigma_i$($i=0$ 至 $5$)是定义穿壁应力分布 $\sigma(x)=\sum_{i=0}^{5}\sigma_i(x/B)^i$($0\le x\le B$)的应力分量(BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.14));$\sigma_0$ 为常数项。本计算器的 $x$ 从裂纹口所在表面量起。

怎么取值

  • 只对两类多项式应力裂纹类型显示。$K_I$ 由全部 $\sigma_i$ 按式 (M.13) 或式 (M.17) 计算(BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.13); §M.4.4, Eq. (M.17));$\sigma_{ref}$ 由该分布线性化所得的 $P_m$、$P_b$ 计算,$P_m$、$P_b$ 输入栏不用。
  • 「取自:」旁的「由应力廓线拟合」按钮在应力线性化计算器中按应力廓线拟合 $\sigma_0$ 至 $\sigma_5$。

规范出处:BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.13), (M.14); §M.4.4, Eq. (M.17)

多项式应力 σ_1 [MPa]

$\sigma(x)=\sum_{i=0}^{5}\sigma_i(x/B)^i$ 中,$\sigma_1$ 为 $x/B$ 项的系数(BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.14))。

怎么取值

显示条件与用法同 $\sigma_0$。

规范出处:BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.14)

多项式应力 σ_2 [MPa]

$\sigma(x)=\sum_{i=0}^{5}\sigma_i(x/B)^i$ 中,$\sigma_2$ 为 $(x/B)^2$ 项的系数(BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.14))。

怎么取值

显示条件与用法同 $\sigma_0$。

规范出处:BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.14)

多项式应力 σ_3 [MPa]

$\sigma(x)=\sum_{i=0}^{5}\sigma_i(x/B)^i$ 中,$\sigma_3$ 为 $(x/B)^3$ 项的系数(BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.14))。

怎么取值

显示条件与用法同 $\sigma_0$。

规范出处:BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.14)

多项式应力 σ_4 [MPa]

$\sigma(x)=\sum_{i=0}^{5}\sigma_i(x/B)^i$ 中,$\sigma_4$ 为 $(x/B)^4$ 项的系数(BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.14))。

怎么取值

显示条件与用法同 $\sigma_0$。

规范出处:BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.14)

多项式应力 σ_5 [MPa]

$\sigma(x)=\sum_{i=0}^{5}\sigma_i(x/B)^i$ 中,$\sigma_5$ 为 $(x/B)^5$ 项的系数(BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.14))。

怎么取值

显示条件与用法同 $\sigma_0$。

规范出处:BS 7910:2019, Annex M, §M.4.2.2, Eq. (M.14)

σ_ref 线性化方法

本计算器把多项式应力分布线性化为 $P_m$、$P_b$,再按 Annex P 求 $\sigma_{ref}$;$K_I$ 仍用完整多项式。本字段选择线性化方法。只要线性化分布在缺陷面上不小于真实分布的大小,任何线性化分布都可接受(BS 7910:2019+C1:2025, §6.4.1, NOTE)。

怎么取值

  • 「积分法(功等效)」:$P_m=\frac{1}{B}\int_0^B\sigma\,dx$,$P_b=\frac{6}{B^2}\int_0^B\sigma\left(\frac{B}{2}-x\right)dx$,为默认方法。
  • 「Clause 6 线性化(图 6.1)」:$P_m=(\sigma_1+\sigma_2)/2$,$P_b=(\sigma_1-\sigma_2)/2$(BS 7910:2019, §6.4.1, Figure 6.1);此处 $\sigma_1$、$\sigma_2$ 是「Clause 6 线性化跨度」确定的两个应力,不是多项式系数。
  • 无论哪种方法,线性化应力在缺陷面($0\le x\le a$)上任一点低于多项式分布时,结果中给出告警,写明最大差值及其位置,计算照常进行。
  • 线性化所得 $P_m$ 小于 0 时取 0。

规范出处:BS 7910:2019, §6.4.1, Figure 6.1; BS 7910:2019+C1:2025, §6.4.1, NOTE

Clause 6 线性化跨度

线性化可以跨缺陷进行(图 6.1a),也可以跨含缺陷的截面进行(图 6.1b)(BS 7910:2019, §6.4.1, Figure 6.1)。本字段确定 Clause 6 法所用的两个应力 $\sigma_1$、$\sigma_2$。

怎么取值

  • 「全壁厚跨度(x=0 和 x=B 处的 σ)」:$\sigma_1=\sigma(0)$,$\sigma_2=\sigma(B)$,为默认值。
  • 「跨裂纹跨度(在裂纹深度 a 上拟合,图 6.1a)」:本计算器在 $0\le x\le a$ 上按最小二乘拟合直线,上移到不低于多项式分布,再延伸到全壁厚。
  • 只在选「Clause 6 线性化(图 6.1)」时显示。

规范出处:BS 7910:2019, §6.4.1, Figure 6.1

屈服强度 (σ_Y) [MPa]

下屈服强度或 0.2% 规定非比例延伸强度(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

  • Option 1:取 $R_{p0.2}$、$R_{p1.0}$、$R_{eL}$ 或 $R_{t0.5}$;钢产品标准以上屈服强度 $R_{eH}$ 定义屈服强度时,取 $\sigma_Y=0.95R_{eH}$。Option 2:铁素体钢取 $R_{p0.2}$,奥氏体钢取 $R_{p1.0}$(BS 7910:2019, §7.1.3.1, Table 7.1)。

  • 评定点的 $K_r$、$L_r$ 用均值减两倍标准差的拉伸性能,FAL 与 $L_{r,max}$ 用均值拉伸性能(BS 7910:2019, §7.1.3.2; §7.3.2)。本计算器只用一组 $\sigma_Y$、$\sigma_U$,同时用于 $L_r$、FAL 与 $L_{r,max}$。

  • 计算器只接受 $\sigma_Y \ge 1$ MPa。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$L_r=\sigma_{ref}/\sigma_Y$ 减小(BS 7910:2019, §7.3.7, Eq. (7.40))。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.1.3.1, Table 7.1; §7.1.3.2; §7.3.2; §7.3.7, Eq. (7.40)

抗拉强度 (σ_U) [MPa]

抗拉强度(BS 7910:2019, §7.0),对应 $R_m$(BS 7910:2019, §7.1.3.1, Table 7.1)。

怎么取值

  • $L_{r,max}=(\sigma_Y+\sigma_U)/(2\sigma_Y)$;定截断值时应采用均值而非最小值拉伸性能(BS 7910:2019, §7.3.2, Eq. (7.25))。

  • $\sigma_U\le\sigma_Y$ 时拒绝计算:式 (7.7) 与 $N=0.3(1-\sigma_Y/\sigma_U)$ 要求 $\sigma_U\gt\sigma_Y$(BS 7910:2019, §7.3.3)。

  • 计算器只接受 $\sigma_U \ge 1$ MPa。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$L_{r,max}$ 增大(BS 7910:2019, §7.3.2, Eq. (7.25))。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.1.3.1, Table 7.1; §7.3.2, Eq. (7.25); §7.3.3

弹性模量 (E) [GPa]

弹性模量(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

  • 以 GPa 输入,本计算器换算为 MPa 后使用。

  • 本计算器把它用于 Option 1 的 $\mu=\min(0.001E/\sigma_Y,0.6)$(BS 7910:2019, §7.3.3, Eq. (7.26)–(7.28))、不连续屈服的 $\lambda=1+E\Delta\varepsilon/R_{eL}$(BS 7910:2019, §7.3.3, Eq. (7.33))与 Option 2 的式 (7.34)(BS 7910:2019, §7.3.4, Eq. (7.34))。

  • 计算器只接受 $E \ge 10$ GPa。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.3.3, Eq. (7.26)–(7.28), (7.33); §7.3.4, Eq. (7.34)

断裂韧性 (K_mat) [MPa√m]

以应力强度因子表示的材料特征断裂韧性(BS 7910:2019, §7.0)。

怎么取值

断裂韧性应对应裂纹尖端所在的材料(BS 7910:2019, §7.2.3)。

  • 计算器只接受 $K_{mat} \ge 0.1$ MPa√m。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_r$ 按式 (7.39) 减小(BS 7910:2019, §7.3.6, Eq. (7.39))。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.2.3; §7.3.6, Eq. (7.39)

FAD 选项

每个选项都有一条由曲线方程 $K_r=f(L_r)$ 给出的失效评定曲线(FAL)和截断值 $L_{r,max}$(BS 7910:2019, §7.3.1)。本字段选择计算所用的 FAL。

怎么取值

  • 「Option 1(Section 7.3.3)」:FAL 按式 (7.26)–(7.28) 计算,其中 $\mu=\min(0.001E/\sigma_Y,0.6)$、$N=0.3(1-\sigma_Y/\sigma_U)$(BS 7910:2019, §7.3.3, Eq. (7.26)–(7.28))。
  • 「Option 2(Section 7.3.4,Ramberg-Osgood)」:$f(L_r)=\left(E\varepsilon_{ref}/(L_r\sigma_Y)+L_r^3\sigma_Y/(2E\varepsilon_{ref})\right)^{-0.5}$(BS 7910:2019, §7.3.4, Eq. (7.34));原文要求评定温度下的均值单轴拉伸真应力-应变曲线(BS 7910:2019, §7.3.4)。本计算器取 $\varepsilon_{ref}$ 为式 (7.4) 应力-应变曲线在 $\sigma_{ref}=L_r\sigma_Y$ 处的应变,直接用该工程应变,不换算为真应变(BS 7910:2019, §7.1.3.5, Eq. (7.4))。
  • 默认「Option 1(Section 7.3.3)」。

规范出处:BS 7910:2019, §7.3.1; §7.3.3, Eq. (7.26)–(7.28); §7.3.4, Eq. (7.34); §7.1.3.5, Eq. (7.4)

屈服类型

材料的应力-应变曲线是否出现屈服不连续(吕德斯平台)(BS 7910:2019, §7.1.3.6)。不连续屈服材料的 Option 1 FAL 以式 (7.29)–(7.32) 代替式 (7.26)–(7.28)(BS 7910:2019, §7.3.3)。

怎么取值

  • Table 7.4 给出判断轧制钢板为连续屈服还是不连续屈服的指引;不确定或无数据时,$L_r\ge1$ 应假定存在吕德斯平台(BS 7910:2019, §7.1.3.6, Table 7.4)。
  • 选「不连续屈服(吕德斯平台)」时,Option 1 的 FAL 在 $L_r=1$ 处由式 (7.29) 竖直降到式 (7.30)(BS 7910:2019, §7.3.3),本计算器对 $L_r\ge1$ 取降后的值;Option 2 时本计算器把吕德斯应变 $\Delta\varepsilon$ 加到 $\varepsilon_{ref}$ 上($L_r\ge1$ 时)(BS 7910:2019, §7.1.3.6)。
  • 式 (7.33) 中的 $R_{eL}$ 取「屈服强度 ($\sigma_Y$)」的输入值。
  • 默认「连续屈服(光滑、无平台)」。

规范出处:BS 7910:2019, §7.1.3.6, Table 7.4; §7.3.3, Eq. (7.29)–(7.33)

一次应力强度因子(K_I^P)来源

$K_I^P$ 的来源:按 Annex M 公式计算,或直接输入用其它方法求得的值。应力强度因子也可由手册、数值分析(如有限元)或权函数法求得,但方法依据与结果应完整记录(BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1)。

怎么取值

  • 选「直接输入 K_I^P(如取自有限元模型)」时,本计算器仍按 Annex M 计算公式值,在计算步骤中与直输值并列;Annex M 解越界时只在结果中记录,评定用直输值。
  • 结果与报告把直接输入的 $K_I^P$ 标注为用户输入。

规范出处:BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1

一次应力强度因子(K_I^P,直接输入) [MPa√m]

一次应力产生的应力强度因子(BS 7910:2019, §7.0),直接输入:半椭圆表面裂纹填最深点值,其余类型填单点值(穿透裂纹为控制前缘的值)。

怎么取值

  • $k_m\gt 1$ 时,还须在第 4 卡选择「直接输入的 $K_I^P$ 已含错边」,选定前不能计算。

  • 选「Annex R(自动计算)— 默认」时,$\rho$ 按本值(含补入的错边 K 增量)求得。

  • 计算器只接受 $K_I^P \ge 0$ MPa√m。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0

表面点一次应力强度因子(K_I^P,直接输入) [MPa√m]

半椭圆表面裂纹表面点的直接输入 $K_I^P$。Annex M 对这类裂纹在最深点与表面点各给出 $K_I$(BS 7910:2019, Annex M, §M.4.1.2.3; §M.4.1.3.3; §M.7.3.2, Table M.10)。

怎么取值

  • 本计算器在最深点与表面点各建一个评定点,两点的 $L_r$ 相同;任一点落在 FAL 上或外即不可接受,做法类推 B.5.6 对两点的要求(BS 7910:2019+C1:2025, Annex B, §B.5.6)。

  • 只对半椭圆表面裂纹显示。

  • 计算器只接受 $K_I^P \ge 0$ MPa√m。

规范出处:BS 7910:2019, Annex M, §M.4.1.2.3; §M.4.1.3.3; §M.7.3.2, Table M.10; BS 7910:2019+C1:2025, Annex B, §B.5.6

二次(残余/热)载荷

$K_I^S$ 为二次应力产生的应力强度因子(BS 7910:2019, §7.0)。本字段选择它的来源。

怎么取值

  • 「无(无二次应力)」:$K_I^S=0$。
  • 「输入 Q_m / Q_b 应力(→ K_I^S 由 Annex M 计算)」:$K_I^S=(M_mQ_m+M_bQ_b)\sqrt{\pi a}$(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.1), (M.5)),与 $K_I^P$ 用同一 Annex M 解、同一评定点。
  • 「直接输入 K_I^S」:采用「二次应力强度因子($K_I^S$,直接输入)」的输入值。
  • $K_I^S$ 为负时,$K_I^S$ 与 $\rho$ 都取 0(BS 7910:2019, §7.3.6)。
  • 只有二次应力时 R.2 的式子不适用,可把这些应力保守地归为一次应力(BS 7910:2019, Annex R, §R.1)。任一评定点 $K_I^P=0$ 且 $K_I^S\gt 0$ 时,本计算器拒绝计算。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.3.6; Annex M, §M.1, Eq. (M.1), (M.5); Annex R, §R.1

二次应力强度因子(K_I^S,直接输入) [MPa√m]

二次应力产生的应力强度因子(BS 7910:2019, §7.0),直接输入:半椭圆表面裂纹填最深点值,其余类型填单点值。

怎么取值

本值按不含错边弯曲的贡献处理;错边弯曲按二次应力处理时,本计算器按 Annex M 另算错边 K 增量并加到 $K_I^S$ 上。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_r$ 按式 (7.39) 增大;$L_r$ 不变(BS 7910:2019, §7.3.6, Eq. (7.39); §7.3.7)。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.3.6, Eq. (7.39)

表面点二次应力强度因子(K_I^S,直接输入) [MPa√m]

半椭圆表面裂纹表面点的直接输入 $K_I^S$。式 (M.5) 在最深点与表面点各用一套 $M_m$、$M_b$(BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1, Eq. (M.5))。

怎么取值

只对半椭圆表面裂纹显示;与最深点值一样,按不含错边弯曲的贡献处理。

规范出处:BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1, Eq. (M.5)

塑性交互作用(ρ)来源

$\rho$ 为塑性交互作用因子(BS 7910:2019, §7.0),在 Annex R 中定义为一次与二次载荷两者的函数(BS 7910:2019, §7.3.6)。本字段选择 $\rho$ 的来源。

怎么取值

  • 「Annex R(自动计算)— 默认」:$\rho$ 由 $K_I^P$、$K_I^S$、$L_r$ 按式 (R.1)、(R.2) 求得(BS 7910:2019, Annex R, §R.2.2, Eq. (R.1), (R.2)),每个评定点各算一次;无二次应力时得 $\rho=0$。
  • 「直接输入 ρ 值」:采用「塑性交互作用 ($\rho$,直接输入)」的输入值。
  • 「零(仅限无二次应力)」:$\rho=0$;$K_I^S\gt 0$ 时结果中给出非保守告警。
  • $K_I^S/(K_I^P/L_r)\gt 4$ 时,按 R.2.2 求得的 $\rho$ 可能过于保守(BS 7910:2019, Annex R, §R.2.1);此时结果中给出告警。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.3.6; Annex R, §R.2.1; §R.2.2, Eq. (R.1), (R.2)

塑性交互作用 (ρ,直接输入)

塑性交互作用因子(BS 7910:2019, §7.0),直接输入:半椭圆表面裂纹填最深点值,其余类型填单点值。

怎么取值

  • $0\le\rho\le\rho_1$(BS 7910:2019, Annex R, §R.2.2, NOTE 1),且 $\rho_1$ 最大为 0.25(BS 7910:2019, Annex R, §R.2.2, Eq. (R.1))。

  • $K_I^S$ 被置零的评定点上,$\rho$ 也取 0(BS 7910:2019, §7.3.6)。

  • 计算器只接受 $0 \le \rho \le 0.25$。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$K_r$ 按式 (7.39) 增大;$L_r$ 不变(BS 7910:2019, §7.3.6, Eq. (7.39); §7.3.7)。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.3.6, Eq. (7.39); Annex R, §R.2.2, Eq. (R.1), NOTE 1

表面点塑性交互作用(ρ,直接输入)

半椭圆表面裂纹表面点的直接输入 $\rho$。$\rho$ 随 $K_I^S/(K_I^P/L_r)$ 与 $L_r$ 变化(BS 7910:2019+C1:2025, Annex R, §R.2.2)。

怎么取值

只对半椭圆表面裂纹显示;取值范围与最深点值相同。

  • 计算器只接受 $0 \le \rho \le 0.25$。

规范出处:BS 7910:2019+C1:2025, Annex R, §R.2.2

应变硬化指数 n 来源

$n$ 为应变硬化指数(BS 7910:2019, §7.0)。本字段确定 Option 2 所用 $n$ 的来源。

怎么取值

  • 「由 σ_Y/σ_U 估算(公式 7.7)」:$n=1/[0.3(1-\sigma_Y/\sigma_U)]$(BS 7910:2019, §7.1.3.5, Eq. (7.7))。式 (7.7) 由屈服强度或规定强度 300 MPa 至 1000 MPa、$0.65\lt\sigma_Y/\sigma_U\lt 0.95$ 的铁素体钢得出,是应变的下限估计,会低估 $n$(BS 7910:2019, §7.1.3.5, NOTE 1)。超出该范围时,计算步骤给出告警。
  • 「直接输入 n 值」:采用「应变硬化指数 ($n$)」的输入值。
  • 默认「由 σ_Y/σ_U 估算(公式 7.7)」。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.1.3.5, Eq. (7.7), NOTE 1

应变硬化指数 (n)

应变硬化指数(BS 7910:2019, §7.0),即式 (7.4) $\varepsilon=\sigma/E+(A_r\sigma_Y/E)(\sigma/\sigma_Y)^n$ 中的指数(BS 7910:2019, §7.1.3.5, Eq. (7.4))。

怎么取值

  • $n$ 可按式 (7.6) 求得,该式用到均匀延伸率 $\varepsilon_U$(BS 7910:2019, §7.1.3.5, Eq. (7.6))。

  • 本计算器按式 (7.5) 取 $A_r=0.002E/\sigma_Y$(其中 $\varepsilon_Y=\sigma_Y/E+0.002$),故 $\varepsilon_{ref}=L_r\sigma_Y/E+0.002L_r^n$(BS 7910:2019, §7.1.3.5, Eq. (7.5))。

  • 只在 Option 2 且选「直接输入 n 值」时显示。

  • 计算器只接受 $n \ge 1.01$。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.1.3.5, Eq. (7.4)–(7.6)

吕德斯应变来源

$\Delta\varepsilon$ 为吕德斯应变的大小(BS 7910:2019, §7.0)。本字段确定不连续屈服所用 $\Delta\varepsilon$ 的来源。

怎么取值

  • 「估算(公式 7.8)」:缺少详细应力-应变数据时,$\Delta\varepsilon$ 可按 $\Delta\varepsilon=0.0375(1-0.001\sigma_Y)$ 估算,适用于 $\sigma_Y\lt 1000$ N/mm² 的材料(BS 7910:2019, §7.3.3; §7.1.3.6, Eq. (7.8))。选此项且 $\sigma_Y\ge1000$ MPa 时拒绝计算。
  • 「直接输入 Δε」:采用「吕德斯应变($\Delta\varepsilon$)」的输入值。
  • 默认「估算(公式 7.8)」。

规范出处:BS 7910:2019, §7.0; §7.1.3.6, Eq. (7.8); §7.3.3

吕德斯应变(Δε)

在应力 $R_{eL}$ 下、应力不增加时的应变增量(BS 7910:2019, §7.3.3)。

怎么取值

  • Option 1 用于 $\lambda=1+E\Delta\varepsilon/R_{eL}$(BS 7910:2019, §7.3.3, Eq. (7.33));Option 2 把它加到 $\varepsilon_{ref}$ 上($L_r\ge1$ 时)。

  • 只在选「不连续屈服(吕德斯平台)」与「直接输入 Δε」时显示。

  • 计算器只接受 $0 \lt \Delta\varepsilon \le 0.099$。

对结果的影响

  • ↑ 增大:$\lambda$ 增大,式 (7.30) 给出的 $L_r=1$ 处 FAL 值 $f=(\lambda+1/(2\lambda))^{-0.5}$ 降低(BS 7910:2019, §7.3.3, Eq. (7.30), (7.33))。

规范出处:BS 7910:2019, §7.3.3, Eq. (7.30), (7.33); §7.1.3.6

计算步骤

「步骤」页按步骤编号列出每一步的公式、代入数值、结果与规范条款;半椭圆表面裂纹 6 类的步骤 2、3、7、8、10、11 按最深点(deepest point)与表面点(surface point)各列一次。

步骤 做什么 结果页里的对应项
Step 1 把 $P_m$、$P_{m,b}$、$P_b$ 归为一次应力,$Q_m$、$Q_b$ 归为二次应力(BS 7910:2019, §7.2.2)
Step 2pre 「应力已含焊趾」选「是——M_k 取 1」时取 $M_{km}=M_{kb}=1$(BS 7910:2019, §6.4.4.4) 报告结论附注
Step 2 按 Annex M 求 $K_I^P$,$k_{tm}$、$k_{tb}$、$M_{km}$、$M_{kb}$、$k_m$ 按 Eq. (M.4) 计入(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.1), (M.4));直接输入 $K_I^P$ 时评定采用输入值,Annex M 公式值只作对照 「应力强度因子」卡;两点评定表
Step 2a 圆筒轴向、环向穿透裂纹取内壁与外壁两前缘中较大的 $K_I$ 作 $K_I^P$(BS 7910:2019, Annex M, §M.7.2.1, §M.7.3.1)
Step 2b 直接输入 $K_I^P$ 而 Annex M 公式越出适用范围时,列出越界的参数、数值与范围(BS 7910:2019, Annex M, §M.1) 结果区首位的越界提示
Step 2c 直接输入 $K_I^P$ 且 $k_m>1$:选「是,直输值已含错边」时不另算错边项;选「否,由程序按 Annex M 补算」时,按 Annex M 以输入的 $k_m$ 与 $k_m=1$ 各算一次,两次之差为错边 K 增量 $\Delta K_{km}$,错边按一次应力处理时加到 $K_I^P$ 上(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.4);Annex D, §D.1) $\Delta K_{km}$ 行
Step 3 由 $Q_m$、$Q_b$ 按 Eq. (M.5) 求 $K_I^S$,不乘 $k_{tm}$、$k_{tb}$、$M_{km}$、$M_{kb}$、$k_m$(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.5));$K_I^S<0$ 时 $K_I^S$ 与 $\rho$ 取零(BS 7910:2019, §7.3.6) 「应力强度因子」卡;两点评定表
Step 3a 穿透裂纹的 $K_I^P$ 取外壁前缘时,$K_I^S$ 取同一前缘
Step 3b 错边弯曲按二次应力处理时,按 Annex M 求 $\Delta K_{km}$ 并加到 $K_I^S$ 上(BS 7910:2019, Annex D, §D.1) $\Delta K_{km}$ 行
Step 3c 直接输入 $K_I^P$、Annex M 越界且 $Q_m=Q_b=0$ 时取 $K_I^S=0$(BS 7910:2019, Annex M, §M.1, Eq. (M.5))
Step 4 $K_{mat}$ 取输入值;断裂韧性应对应裂纹尖端所在的材料(BS 7910:2019, §7.2.3) 「应力强度因子」卡
Step 5a 多项式应力 2 类:把 $\sigma_0$–$\sigma_5$ 给出的应力分布线性化为 $P_m$、$P_b$ 供 Annex P 使用,方法按「$\sigma_{ref}$ 线性化方法」(BS 7910:2019+C1:2025, §6.4.1, Figure 6.1)
Step 5a check 线性化分布在缺陷面上任一点低于多项式应力分布时给出告警;任何线性化分布只要在缺陷面上不小于真实分布即可接受(BS 7910:2019+C1:2025, §6.4.1 NOTE) 结果区告警条
Step 5 按 Annex P 求 $\sigma_{ref}$,$L_r=\sigma_{ref}/\sigma_Y$(BS 7910:2019, §7.3.7, Eq. (7.40));错边按一次应力处理时,传给 Annex P 的弯曲应力取 $P_b+(k_m-1)P_m$ 「塑性失稳」卡
Step 6 $L_{r,max}=(\sigma_Y+\sigma_U)/(2\sigma_Y)$(BS 7910:2019, §7.3.2, Eq. (7.25)) 「塑性失稳」卡
Step 7 $\rho$ 按 Annex R 计算、取输入值或取零(BS 7910:2019, Annex R, §R.2.2, Eq. (R.1), (R.2)) 「FAD 评定」卡;两点评定表
Step 8 $K_r=(K_I^P+K_I^S)/K_{mat}+\rho$(BS 7910:2019, §7.3.6, Eq. (7.39)) 「第 7 章评定点装配」卡
Step 9 $f(L_r)$:Option 1 连续屈服用 Eq. (7.26)–(7.28),不连续屈服用 Eq. (7.29)–(7.33)(BS 7910:2019, §7.3.3);Option 2 用 Eq. (7.34),参考应变取自由 $\sigma_Y$、$E$ 与 $n$ 构造的 Ramberg-Osgood 曲线,$n$ 直接输入或由 $\sigma_Y/\sigma_U$ 按 Eq. (7.7) 估算(BS 7910:2019, §7.3.4, Eq. (7.34);§7.1.3.5, Eq. (7.4)–(7.7));Option 2 不连续屈服时 $L_r \ge 1$ 段的参考应变计入吕德斯应变 $\Delta\varepsilon$(BS 7910:2019, §7.1.3.6, Eq. (7.8)) 「FAD 评定」卡
Step 10 判定(BS 7910:2019, §7.3.1):先判 $L_r \ge L_{r,max}$(塑性失稳),再判 $K_r \ge f(L_r)$(断裂) 判定横幅
Step 11 求 $K_r$ 方向裕度 $F_{Kr}$ 与载荷储备因子 $F_{load}$,见结果解读 「FAD 评定」卡

工程专题栏:BS 7910 断裂评定简明教程 、Option 1 / 2 / 3 怎么选 、连续屈服与不连续屈服 、Annex M 应力强度因子 、Annex P 参考应力 。

结果解读

先看哪里

  1. 越界提示:只在直接输入 $K_I^P$ 时可能出现,位于结果区首位,标题为「公式值越出该解的适用范围」,逐条写明物理量、构件、条款、参数、数值与适用范围。评定采用直接输入的 $K_I^P$;用有限元等方法求应力强度因子时,方法依据与结果应完整记录(BS 7910:2019, Annex M, §M.1)。
  2. 判定横幅:显示「可接受(通过)」或「不可接受(未通过)」与 $L_r$、$K_r$;不可接受时写明失效模式是塑性失稳($L_r \ge L_{r,max}$)还是断裂($K_r \ge f(L_r)$)。
  3. 告警条:Annex M、Annex P 透传的原文 NOTE 类告警与线性化告警,不改变评定结论;Annex R 的比值 $K_I^S/(K_I^P/L_r)>4$ 时,「第 7 章评定点装配」卡下方另有告警,这时 R.2.2 的 $\rho$ 可能过于保守(BS 7910:2019, Annex R, §R.2.1)。
  4. 判据徽章与利用率条:两个徽章分别对应断裂判据(BS 7910:2019, §7.3.1)与塑性失稳截断(BS 7910:2019, §7.3.2, Eq. (7.25));利用率条列出「$K_r$ 比」$K_r/f(L_r)$ 与「$L_r$ 比」$L_r/L_{r,max}$,数值较大的一项为控制项。

判据

评定点 $(L_r,\ K_r)$ 落在坐标轴、FAL 与 $L_r=L_{r,max}$ 竖线围成的区域以内时缺陷可接受,落在线上或线外时不可接受(BS 7910:2019, §7.3.1)。计算器的判定式为 $K_r\lt f(L_r)$ 且 $L_r\lt L_{r,max}$;$L_r \ge L_{r,max}$ 时失效模式记为塑性失稳,否则 $K_r \ge f(L_r)$ 时记为断裂。

规范不含内置安全系数,输入参数的实际变化对裕度的影响由敏感性分析评估(BS 7910:2019, §7.3.1);给定载荷与极限载荷状态之间的裕度按敏感性分析判断(BS 7910:2019, §7.2.12)。

输出量

结果名 含义
一次应力强度因子 $K_I^P$ Annex M 公式值或直接输入值;直接输入且由程序补算错边、错边按一次应力处理时含 $\Delta K_{km}$。两点评定时为最深点值,表面点值在两点评定表
错边 K 增量 $\Delta K_{km}$ 按 Annex M 以输入的 $k_m$ 与 $k_m=1$ 各算一次之差;只在程序另算时显示
二次应力强度因子 $K_I^S$ 小于 0 时取 0(BS 7910:2019, §7.3.6);错边按二次应力处理时含 $\Delta K_{km}$
断裂韧性 $K_{mat}$ 采用的 $K_{mat}$
参考应力 $\sigma_{ref}$ Annex P 公式值
载荷比 $L_r$(横轴) $\sigma_{ref}/\sigma_Y$(BS 7910:2019, §7.3.7, Eq. (7.40));两点评定时两点相同
截断值 $L_{r,max}$ $(\sigma_Y+\sigma_U)/(2\sigma_Y)$(BS 7910:2019, §7.3.2, Eq. (7.25))
塑性交互作用 $\rho$ $K_I^S<0$ 时取 0(BS 7910:2019, §7.3.6)
断裂比 $K_r$(纵轴) $(K_I^P+K_I^S)/K_{mat}+\rho$(BS 7910:2019, §7.3.6, Eq. (7.39))
失效评定曲线限值 $f(L_r)$ 评定点 $L_r$ 处的 FAL 值
评定结果、失效模式 可接受、脆性/延性断裂或塑性失稳
$K_r$ 方向裕度 $F_{Kr}$ 本计算器定义:$F_{Kr}=f(L_r)/K_r$,即固定 $L_r$ 沿 $K_r$ 方向的裕度
载荷储备因子 $F_{load}$ 一次载荷按比例放大、使评定点恰好落到 FAL 上所需的倍数;大于 1 表示一次载荷还可放大 $F_{load}$ 倍才触及 FAL

$K_I^P$、$K_I^S$、$K_{mat}$、$\rho$、$\sigma_{ref}$ 旁的来源标签写明数值来自「公式」还是「用户输入」。

$F_{load}$ 的求法:原文对单一一次载荷的起裂分析给出载荷因子 $F^L$ 的作图法,取不同载荷下评定点轨迹与失效评定曲线的交点(BS 7910:2019+C1:2025, Annex N, §N.2.4.6, Figure N.3)。无论有无二次应力,本计算器一律按下式在区间 $[10^{-3},\ L_{r,max}/L_r]$ 内求根,$K_I^S$ 中不随载荷变化的部分保持不变:

$$\frac{F_{load}\,(K_I^{P}+\Delta K_{km}^{S})+K_I^{S,0}}{K_{mat}}+\rho(F_{load})=f\!\left(F_{load}\,L_r\right)$$

式中 $\Delta K_{km}^{S}$ 为错边按二次应力处理时加到 $K_I^S$ 上的错边 K 增量(否则为 0),$K_I^{S,0}=K_I^S-\Delta K_{km}^{S}$;$\rho$ 按 Annex R 计算时随放大后的 $K_I^P$、$K_I^S$、$L_r$ 重算,直接输入或取零时为常数。错边弯曲应力是 $P_m$ 的函数(BS 7910:2019+C1:2025, Annex D, §D.1),本计算器让 $\Delta K_{km}^{S}$ 随一次载荷线性放大。

两点评定怎样取控制点

  • 两点的 $L_r$ 相同,每个缺陷只有一个 $\sigma_{ref}$。
  • 任一点落在 FAL 上或线外,缺陷即不可接受;失效模式取两点中较不利的一种(塑性失稳、断裂、可接受依次从不利到有利)。
  • $F_{Kr}$、$F_{load}$ 各取两点中较小的一点,结果行与横幅里注明取自最深点还是表面点。两点二次应力所占比例不同时,两个储备因子的控制点可以不同。
  • 两点评定表并排列出两点的 $K_I^P$、$\Delta K_{km}$、$K_I^S$、$\rho$、$K_r$ 与各自的判定(PASS / FAIL)。

失效评定图

  • 横轴为载荷比 $L_r$,纵轴为断裂比 $K_r$;曲线为「FAL f(Lr)」,竖线为「Lr,max 截断」。
  • 绿色为可接受域(FAL 之下且 $L_r\lt L_{r,max}$),橙色带为塑性失稳截断;评定点可接受时为绿色,不可接受时为红色,标签为坐标 $(L_r,\ K_r)$。
  • 点线竖线从控制点沿 $K_r$ 方向画到 FAL,末端标 $F_{Kr}$;虚线连接控制点与一次载荷放大 $F_{load}$ 倍后的触线点,末端标 $F_{load}$。虚线只连接这两个端点。
  • 两点评定时圆点为最深点、菱形为表面点,标记较大的一点给出 $F_{load}$。
  • 不连续屈服时 FAL 在 $L_r=1$ 处由一段竖线连接 Eq. (7.29) 与 Eq. (7.30) 两点(BS 7910:2019, §7.3.3);应力-应变曲线在下屈服强度处不连续时,Option 2 曲线在对应的 $L_r$(常为 $L_r=1$)处也不连续(BS 7910:2019, §7.3.4)。

示意图、步骤与报告

  • 「示意图」页:几何裂纹剖面图与沿壁厚应力分布图,聚焦的输入在图上高亮。
  • 「步骤」页逐步列出公式与代入值。
  • 「下载报告(PDF)」:含输入(只列界面上显示的字段)、关键结果、评定点(两点评定)表与数值来源表;越界提示、告警与焊趾说明印在结论附注里。

限制与注意

  • 含缺陷截面:结构的塑性失稳按含缺陷截面的失效判定,结构其他部位提前失稳的可能应另行校核(BS 7910:2019, §7.3.7)。
  • 材料性能:评定点的 $K_r$、$L_r$ 用均值减 2 倍标准差的拉伸性能,FAL 与 $L_{r,max}$ 用均值拉伸性能(BS 7910:2019, §7.1.3.2);截断值用均值而非最小值拉伸性能(BS 7910:2019, §7.3.2)。本计算器只有一组 $\sigma_Y$、$\sigma_U$,同时用于 $L_r$、FAL 与 $L_{r,max}$。
  • 越界:Annex M 各解的适用范围严格限于原文所列范围,不得外推(BS 7910:2019, Annex M, §M.1)。由公式算出的 $K_I^P$、$K_I^S$、$\Delta K_{km}$ 与 $\sigma_{ref}$ 越出构件适用范围时,计算器拒绝计算,错误提示写明越界的条款与范围;因 Annex M 越界而拒绝时,提示另写明可用有限元、权函数或手册解求应力强度因子后直接输入,方法依据与结果应完整记录(BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1)。唯一例外是直接输入 $K_I^P$:Annex M 公式值越界只记入越界提示,不拒绝计算。
  • 替代解:原文给出替代解的情形由构件改用替代解,如表面裂纹 $a/2c>1.0$ 时取 $a/2c=1.0$ 的解(BS 7910:2019, Annex M, §M.4.1.2.3 c)),圆筒环向内表面裂纹 $B/r_i<0.1$ 时改用平板解(BS 7910:2019, Annex M, §M.7.3.2)。
  • 二次应力的放大:热应力(一次与二次)应乘相应的应力集中系数 $k_t$ 与错边系数 $k_m$(BS 7910:2019+C1:2025, §6.4.3);二次应力不受结构不连续影响,按一次应力处理的热应力除外(BS 7910:2019+C1:2025, §6.4.4.1)。本计算器按 Eq. (M.5) 求 $K_I^S$,不对 $Q_m$、$Q_b$ 乘 $k_{tm}$、$k_{tb}$、$k_m$,输入的 $Q_m$、$Q_b$ 按缺陷位置的局部应力使用(BS 7910:2019+C1:2025, Annex M, §M.1, Eq. (M.5))。
  • 只有二次应力:二次应力单独作用时 R.2 的式子不适用,相应应力可保守地归为一次应力(BS 7910:2019, Annex R, §R.1);任一评定点 $K_I^P=0$ 且 $K_I^S>0$ 时,计算器拒绝计算,提示把这些应力填入 $P_m$、$P_b$ 后重新评定。$K_I^P=K_I^S=0$ 时照常计算。
  • $K_I^P<0$:计算器拒绝计算,提示一次应力使缺陷闭合、本断裂评定不适用,塑性失稳可用 Annex P 计算器查 $L_r$。
  • 材料输入:$\sigma_U \le \sigma_Y$ 时拒绝计算,Option 1 的指数为 $N=0.3(1-\sigma_Y/\sigma_U)$(BS 7910:2019, §7.3.3);不连续屈服且吕德斯应变按 Eq. (7.8) 估算时,$\sigma_Y \ge 1000$ MPa 拒绝计算,Eq. (7.8) 只用于 $\sigma_Y<1000\ \mathrm{N/mm^2}$ 的材料(BS 7910:2019, §7.3.3)。
  • Option 2 的应力-应变曲线:原文要求评定温度下的均值单轴拉伸真应力-应变曲线(BS 7910:2019, §7.3.4)。本计算器由 $\sigma_Y$、$E$ 与 $n$ 按 Ramberg-Osgood 式构造曲线(BS 7910:2019, §7.1.3.5, Eq. (7.4), (7.5)),直接以该曲线的工程应变作参考应变,不做真应力-应变换算。Eq. (7.7) 由屈服强度 300–1000 MPa、$0.65\lt \sigma_Y/\sigma_U<0.95$ 的铁素体钢得出,是应变的下限估计,低估 $n$(BS 7910:2019, §7.1.3.5 NOTE 1);$n$ 按 Eq. (7.7) 估算而 $\sigma_Y$ 或 $\sigma_Y/\sigma_U$ 越出该范围时,步骤 9 给出告警。
  • 评定点位置:圆筒穿透裂纹取内、外壁两前缘中 $K_I$ 较大者;埋藏裂纹取 Annex M 的近表面点;延伸表面与全周裂纹取最深点。
  • $P_b$ 的符号:Annex P 求 $\sigma_{ref}$ 时取 $|P_b|$;平板穿透与边缘穿透裂纹以 $z=0$ 一侧受拉为正,计算器在 $z=0$ 处求 $K_I$。
  • 错边:按一次应力处理错边应力偏保守,部分情况下错边应力起二次应力作用,即只影响 $K_r$、不影响 $L_r$(BS 7910:2019, Annex D, §D.1)。直接输入的 $K_I^P$ 已含错边、错边按二次应力处理时,错边贡献留在 $K_I^P$ 内,不进入 Annex R 的比值 $K_I^S/(K_I^P/L_r)$。

例题

「验证例题」下拉框内置 13 道例题,载入后点「执行计算」;带链接的可从下列链接直接载入。

公开例题的逐点核对见本计算器的验证手册 。

🧮 在线计算器:《BS 7910 断裂评定》 — 按 BS 7910:2019 第 7 章用失效评定图判定已知缺陷是否可接受。