弯曲载荷下管道环焊缝裂纹应力强度因子评价模型及试验验证

裂纹缺陷是众多环焊缝缺陷中危险性最大的缺陷之一。油气管道在经过地质条件较差的区域时，当遭遇自然灾害，管道除内压作用外，还会承受额外的弯曲载荷，由此引起的大跨度管道弯曲变形容易引起环焊缝裂纹扩展，导致管道破裂。基于大量环焊缝裂纹有限元数据，拟合出了裂纹尖端应力强度因子的工程评估公式。按照子模型分析方法可以快速获得有限元结果数据且能保证精度，是一种高效获取全尺寸弯曲管道中裂纹应力强度因子拟合数据的方法。结合API 579中提供的环向裂纹应力强度因子理论公式，对应力强度因子计算公式进行了拟合，裂纹尺寸范围为0.03   

基于等效结构应力法对含错边构件的疲劳性能分析

错边缺陷是焊接构件中最常见的缺陷，不同的参数条件会对其产生不同的影响。本研究在焊接构件焊根位置处进行打磨和未打磨处理，对不同错边高度的焊接构件施加不同大小的载荷，以此作为变量探究错边缺陷构件的疲劳性能。基于等效结构应力法，提取焊缝两侧关键节点的等效结构应力，计算应力集中系数和疲劳寿命。仿真结果表明：拉伸载荷相同时，焊缝错边量越大，应力集中系数对构件疲劳性能的影响越明显；拉伸载荷不同时，焊缝错边量越大，疲劳寿命的变化趋势越平缓。同时将不同错边高度的焊缝代入实际工程结构中进行验证，其结果与仿真结果相似。综合上述结论，在实际焊接过程中，需要控制焊接构件的错边高度在合理范围之内，并减少焊根对构件疲劳性能的影响。     

复杂载荷下含未焊透缺陷压力管道塑性极限载荷分析

针对净截面垮塌(NSC)准则仅适用于拉、弯组合载荷的局限性,根据压力管道实际受力特点,提出了一种基于内压/弯矩/扭矩复杂载荷作用下的含未焊透缺陷压力管道塑性极限载荷理论分析方法及其表达式,该方法还充分考虑了管道曲率(管径比)、未焊透缺陷环向长度、深度对压力管道塑性极限载荷的影响。借助有限元分析方法对含各类未焊透缺陷的压力管道塑性极限载荷进行了数值计算并与理论值进行了比较。结果表明:该方法能较好地反映含未焊透缺陷压力管道的实际承载能力,结果可靠,可大大提高含未焊透缺陷压力管道安全评定的有效性。     

基于扩展磁荷模型的埋地管道弱磁检测方法研究

为了提高弱磁检测方法对埋地管道早期损伤诊断的有效性,进一步明确检测信号与应力和缺陷之间的定量关系,构建了考虑力磁耦合效应和位错钉扎效应的扩展磁荷模型,研究了多种管道异常状况引起的弱磁检测信号变化规律,利用工程检测实验验证了该模型的有效性。研究结果表明,在体积型凹坑缺陷、面积型裂纹缺陷和焊缝缺陷处,梯度模量G_M均出现显著的对称尖峰畸变,且其峰值随缺陷尺寸的增加而增大,其中当量深度的影响更为显著;焊缝错边缺陷对G_M峰型和峰值的影响显著,而咬边缺陷的影响不明显;工程实测数据与理论计算数据的最大位置误差≤1 m,最大峰值误差≤15%,均在工程检测的可接受范围内。     

带人工裂纹的焊接钢结构梁柱节点有限元应力分析

近年来,日、美两国地震经验表明,焊接钢结构的脆断往往发生在焊接缺陷和应力集中共同作用的区域。由于梁翼缘的平坡口焊缝垫板结构存在,梁翼缘焊缝根部融合不良而形成“人工”裂纹。本文用有限元方法研究在承受梁端弯曲载荷情况下,梁柱节点的应力分布,以及翼缘焊缝根部的“人工”裂纹造成的应力集中。从断裂力学的观点来分析计算焊根部裂纹尖端的应力强度因子,计算表明底梁翼缘焊根部的应力强度因子值明显大于顶梁翼缘焊根部的应力强度因子值,这与实际地震时脆断更容易发生在底梁翼缘焊缝情况非常吻合。     

含环向穿透裂纹管道焊接接头的J积分估算方法

本文介绍了一种含环向穿透裂纹管道焊接接头在纯弯曲载荷下的J积分估算方法－LBBENG3方法，并针对我国压力管道用钢常具有屈服平台的特点，进行了有限元数值验证，最后对非匹配效应对J积分的影响进行了研究。结果表明：LBB．ENG3方法不仅简便易行，易编程实现；而且可提供较为准确、合理的J积分估算值，适于在我国工程实际中推广使用。     

含多局部减薄缺陷压力管道的安全评定方法讨论

局部减薄是压力管道常见的一种体积型缺陷,在管道的服役过程中不仅会出现单个局部减薄缺陷,甚至会有多个局部减薄缺陷。通过有限元方法模拟内压作用下含双局部减薄缺陷管道获得其极限载荷,讨论了在不同的轴向和环向排列方式以及不同的局部减薄相对深度下,两局部减薄缺陷间的距离对压力管道极限载荷影响程度的差异。然后对所计算模型应用API 579-1 ASMEFFS-1—2007《适合服役》与GB/T19624—2004《在用含缺陷压力容器安全评定》中对多局部减薄(凹坑)处理方法进行评定,并与有限元得到的结果进行比较,发现两评定规范既存在着保守性,也存在着不安全性。最后对两评定规范所论述的方法进行修正,提出了一种新的用于内压作用下含多局部减薄缺陷管道的多局部减薄处理方法。     

含环向减薄缺陷主蒸汽管道蠕变应力变化规律研究

厚壁耐热钢广泛应用于高温电厂的主蒸汽管道。局部减薄缺陷是高温压力管道常见的体积型缺陷,局部减薄缺陷的存在对高温环境下运行的管道应力重分布会产生较大的影响,降低管道的承载能力。采用大型有限元分析软件ABAQUS对在蠕变条件下运行、受内压作用含环向减薄缺陷主蒸汽管的蠕变应力进行了有限元数值模拟,获得了应力重分布的变化过程。结果表明,含环向减薄缺陷直管,由于存在结构不连续,导致应力水平提高。在高温环境下,应力最大位置和应力集中系数最大位置可能会随蠕变时间的变化而改变,给出了含环向减薄管道应该主要关注的位置。研究结果可为高温含环向减薄缺陷管道的安全评定和完整性分析提供依据。     

白光散斑法用于K型管接头模型应力分析

介绍了白光散斑法用于承受面外弯曲载荷K型管接头模型的应力分析。试验得到了较大尺寸三维模型的全场条纹图,采用逐点法确定它的条纹级数,对四种模型进行了应力分析,确定热点位置和应力集中系数大小,研究焊缝趾部对应力集中系数的影响。试验结果与电测、有限元计算结果进行比较的一致性证实试验结果是可靠的,试验方法是行之有效的;焊缝趾部使主、支管应力集中系数有不同程度的下降。     

倒圆角直梁型柔性铰链应力分析

为研究倒圆角直梁型柔性铰链的内部应力,利用材料力学的相关知识推导出该型柔性铰链的弯曲正应力和拉/压应力计算公式。采用变截面梁单元建立该型柔性铰链的有限元模型,在一端固定,另一端承受力矩或力的边界条件下,计算分析该型柔性铰链的应力;将有限元解与所推导出的解析解进行比较,验证所推导应力计算公式的正确性。根据所推导出的应力公式,讨论倒圆角直梁型柔性铰链的内部应力与其各结构参数之间的关系。     

周向表面裂纹管道的J积分解

通过与现有的周向表面裂纹管道J积分解对比 ,证明了本文开发的有限元程序计算所得J积分解是准确的。在此基础上 ,本文通过有限元计算提供了周向外表面裂纹管道在拉伸、弯曲以及拉弯联合载荷作用下的J积分解 ,作为对EPRI延性断裂手册的补充 ,为含缺陷压力管道断裂评定提供了大量J积分解。     

含缺陷自增强厚壁圆筒塑性极限载荷分析

基于有限元理论,建立内壁含椭球形凹坑的厚壁圆筒有限元模型,模拟厚壁圆筒自增强过程的应力应变。采用三种不同的方法计算含凹坑缺陷的自增强厚壁圆筒的结构极限载荷,给出不同尺寸缺陷对极限载荷的影响规律。通过对比自增强与非增强条件下的极限载荷,表明自增强技术不能有效提高厚壁圆筒的极限承载能力,但在结构极限载荷下,含凹坑缺陷的自增强厚壁圆筒存在一个缺陷尺寸相对不敏感区,对提高结构的安全性是有利的。     

某型驱动桥壳疲劳寿命的仿真与实验分析

汽车驱动桥桥壳是汽车底盘中主要的受力部件，承受着各个方向的载荷，其主要的损伤形式是在交变载荷作用下发生的疲劳失效。基于某型驱动桥壳的有限元模型进行了该桥壳的静强度计算，并在此基础上对其进行了疲劳寿命分析，研究了桥壳的结构形式、焊接工艺中的残余应力、焊接缺陷等因素对桥壳寿命的影响，形成的有限元模拟方法具有与台架实验相一致的结果。最后基于分析结果，提出了桥壳优化设计的方案。     

轴力作用下TT节点焊缝周围应力分布规律研究

对焊接管节点疲劳寿命的估计,一般是通过计算其焊缝周围的热点应力幅的大小并结合S-N曲线确定.对管节点焊缝周围热点应力大小和这个区域内应力分布规律进行研究,可以预测节点在疲劳失效前所能承受的疲劳载荷循环次数以及疲劳裂纹萌生位置和扩展趋势.文中建立焊接TT管节点的有限元模型,采用ABAQUS软件分析100个不同几何形状的TT管节点在承受轴向拉力作用下其焊缝周围的应力分布规律.通过对模型的分析结果,得到几何参数对热点应力区域内应力分布规律的影响情况.     

基于无网格法的风力发电机塔架门框强度分析

针对风力发电机的塔架门框强度分析中，传统有限元方法建模复杂耗时的问题，提出一种基于无网格法的仿真模型。采用ANSYS和Simsolid软件，分别建立五组机型（3.6～6.25MW）塔架门框的有限元和无网格仿真模型；计算塔架变形、门框极限应力，以及焊缝热点应力，比较两类模型的计算结果。研究结果表明：两类模型计算塔架变形趋势一致，最大位移相对误差0.94%～1.87%；在门框、焊缝极限应力方面，模型的相对误差分别在0.36%～4.63%之间、-0.50%～3.38%之间；无网格法在刚度、应力计算可靠的同时，建模效率显著提高，为塔架门框快速仿真评价提供了一种新的研究思路。     

压力容器原始制造缺陷危害性分析

针对压力容器制造过程中存在的气孔、夹渣等原始制造缺陷,基于损伤力学理论建立了含缺陷的压力容器环向应力和经向应力数学模型,利用ABAQUS有限元分析软件对原始制造缺陷的应力集中进行了计算,验证了理论推导结果。结果表明,压力容器制造过程中的气孔、夹渣等原始制造缺陷,使得缺陷区域材料承载面积减少,内部应力增加,在工作载荷的长期作用下会进一步发展,甚至引发材料失效行为。最后提出在压力容器设计、制造、定期检验环节应当考虑原始制造缺陷的危害性,并采取有效措施,防止压力容器事故发生。     

OD1422mm X80管道环焊接头拉伸应变行为研究

基于非线性有限元方法，结合数字化图像相关技术(DIC)、硬度云图以及断裂韧性测试等手段，进行了含缺陷天然气管道环焊接头的变形能力评估。该方法考虑了管道、焊缝以及缺陷尺寸形状特征，利用钢管母材、焊缝、热影响区的实际性能构建分析模型，对比了不同缺陷尺寸下的断裂驱动力与裂纹扩展阻力，获得环焊接头拉伸应变能力，并利用宽板拉伸试验对分析结果进行了验证。结果表明：当拉伸应变为0.5%时，裂纹扩展阻力始终高于断裂驱动力，裂纹不会发生扩展；当拉伸应变为1.3%、裂纹深度为8.2 mm时，裂纹扩展阻力与断裂驱动力相等，裂纹处于临界失稳状态；当拉伸应变为4.3%时，裂纹深度高于5.2 mm,裂纹会发生扩展；宽板拉伸结果中，当裂纹深度低于5 mm时，失效模式均为母材颈缩；裂纹深度为9 mm时，失效模式为裂纹扩展，模型分析与宽板拉伸试验结果一致性较好。     

堆垛机柱脚焊接接头疲劳寿命分析及优化

为了探究工作条件下堆垛机柱脚焊接接头的疲劳寿命问题,对堆垛机柱脚焊接接头进行了动载荷作用下的疲劳寿命分析,并对影响疲劳危险焊缝疲劳强度的相关尺寸进行了优化。首先,建立了含柱脚焊缝的堆垛机柱脚有限元模型,并使用典型受力模式下的静力学分析与焊线处结构应力分析,确定了柱脚危险焊缝位置;然后,建立了含柱脚危险焊缝的堆垛机有限元模型,采用动力学分析得到了动载荷作用下危险焊缝的疲劳载荷谱,并采用结构应力法求解得到了动载荷作用下的危险焊缝疲劳寿命;最后,针对危险焊缝疲劳强度较低的情况,使用响应面优化法对影响柱脚环形焊缝疲劳强度的尺寸进行了优化。研究结果表明：柱脚环形焊缝为柱脚疲劳危险焊缝;在极端工况下,堆垛机危险焊缝疲劳寿命为27.14 y,可以满足堆垛机设计使用年限;优化后的危险焊缝结构应力较优化前降低了15%,危险焊缝疲劳强度得到了较大提高。     

水平力作用下无拉杆球罐支柱的应力分析

重点分析水平力作用下无拉杆球罐的受力状态,以及支柱的应力分布。采用支柱的分段处理,建立了球罐的力学模型,推导出支柱的垂直载荷、弯矩和轴向正应力的计算公式,其中,垂直载荷明显小于GB 12337—2014中的计算结果,轴向正应力主要来源于弯曲正应力。以某1500 m3无拉杆球罐为例,建立了该球罐的有限元模型,计算了位移、应力、底面约束反力等,与力学模型的计算结果基本吻合。     

含局部减薄缺陷管道的极限载荷分析

建立了含缺陷管道失效的数值模型,采用非线性有限元方法对其极限载荷进行了研究,分析了局部减薄缺陷参数对管道极限载荷的影响,并将计算结果与API579准则的评价结果进行了对比,分析了二者产生差异的原因。研究结果表明,极限载荷随缺陷深度和缺陷长度的增加而呈明显下降趋势,但当缺陷长度达到一定值时,其继续增加对管道极限载荷的影响不再明显。缺陷长度较小时,有限元计算结果与API579准则给出的结果相吻合;缺陷深度和长度都较大时,API579准则并不适用。