基于疲劳寿命的共面多裂纹合并准则研究

为评估现有结构完整性评定规范中裂纹合并准则的保守性,采用有限元分析技术预测循环载荷下含一对等大半椭圆表面裂纹的有限厚度平板的疲劳寿命。采用两种不同材料(304不锈钢和16Mn R钢)参数,对不同初始深度比、形貌比、最小间距的22组裂纹平板的剩余寿命进行了预测,并讨论了现有的三类合并准则和一种由本文提出的合并准则的保守性。与利用考虑干涉直接计算得到的剩余寿命相比较,其结果表明,现有合并准则的保守性与裂纹相对板厚的尺寸密切相关。在初始裂纹深度较大的情况下,BS 7910和ASME建议的合并准则可能会得到不保守的结果,而A16,API 579-1和GB/T 19624—2004建议的合并准则过于保守。建议当两裂纹的最小间距与平均裂纹深度相等,即s=(a_1+a_2)/2时,可将两个表面裂纹表征为一个大裂纹。最后,通过对裂纹扩展速率公式中材料参数的敏感性分析,发现合并准则的保守度还与所用材料的裂纹扩展速率有关,其中Paris公式中的指数n起关键作用,而系数C的影响甚微。     

LBB弹塑性断裂分析中临界裂纹尺寸计算

LBB评估中基于弹塑性断裂方法(EPFM)计算裂纹稳定扩展的临界尺寸是主要难点之一,工程应用中主要通过裂纹扩展驱动力图(J-a图)或裂纹扩展稳定性图(J-T图)计算裂纹稳定扩展的临界尺寸。针对绘制J-a和J-T图的过程较复杂,且作图法确定临界裂纹尺寸精度会受到作图质量影响的问题,基于EPRI工程评定方法的裂纹稳定扩展条件(ASME和R6等规范中也是引用的该条件),给出了一种计算裂纹稳定扩展临界尺寸的数值方法。分析案例研究结果表明,J-T图驱动力曲线存在不是直线的情况,这与简化分析假设不一致。在分析案例中,J-T图分析获得的临界裂纹尺寸是偏于保守的,当外加载荷较小时,这种保守性较小,但当外加载荷较大时,J-T图引起的保守可能高达40%左右。     

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   

SAPV及API579凹坑评定标准用于尿素合成塔的保守度评价

分别运用SAPV和API579规范对某化肥厂含腐蚀凹坑尿素合成塔上封头进行安全评定，并与有限元极限分析结果和分析设计规范强度校核的结果进行了比较，对SAPV和API579两种凹坑安全评定方法的保守度进行了讨论，作者认为：API579及SAPV的球形封头凹坑安全评定方法均足够保守，SAPV球形封头凹坑评定规程用于外壁凹坑时安全裕度是恰当的，但用于内壁凹坑时显得过分保守，提出了球壳内壁凹坑安全评定时可适当降低安全系数的建议。     

旋压皮带轮的疲劳裂纹扩展寿命计算

基于线弹性断裂力学理论,利用Workbench有限元软件在旋压皮带轮拉应力最大处建立沿周向的初始裂纹的三维有限元模型,计算了该模型的裂纹前缘应力强度因子,得到旋压皮带轮以Ⅰ类为主的张开型裂纹类型结论;接着建立不同裂纹扩展模型,仿真计算得到各裂纹前缘的应力强度因子和应力强度因子幅;根据Paris经验公式和拟合后ΔK-a曲线计算,得到了旋压皮带轮裂纹扩展寿命。该计算裂纹扩展寿命的方法为旋压皮带轮的安全设计提供了一种新途径,具有积极的参考意义。     

影响含腐蚀缺陷管道剩余强度的参数分析

对比ASME B31G,API 579,DNV RP-F101,PCORRC等评价方法中的鼓胀因子、流变应力、腐蚀面积、缺陷长度等参数对管道剩余强度的影响。分析表明:管材的级别越高,不同标准之间的流变应力的定义的差异越小;NG-18公式仅适用于短缺陷;与实际爆破试验数据相比,ASMEB31G标准相对误差较大,DNV RP-F101和PCORRC标准评价结果相对误差较小。     

半椭圆裂纹参数对压力容器应力疲劳的影响

对外壁含有半椭圆裂纹压力容器在单调递增裂纹缺陷尺寸下进行有限元计算,得到了压力容器在不同裂纹缺陷尺寸大小下的裂纹前缘应力、应力强度因子、应力循环次数的演变规律。研究结果表明,裂纹长度和深度对裂纹前缘应力及其毗邻的筒体外壁区域的弹塑性影响较大;对相同立式安装的固定式压力容器,A类焊缝裂纹缺陷压力容器的安全风险较大。所得结论为压力容器对裂纹缺陷的研究提供了参考依据。     

核电部件屈曲设计方法的对比分析与案例研究

屈曲是快堆关键部件的重要失效模式,涉及地震载荷下的反应堆主容器、轴压载荷下的泵和换热器支撑筒等部件。为保证反应堆安全可靠地运行,相关部件的屈曲设计至关重要。针对快堆瞬时屈曲和蠕变屈曲失效模式,介绍了ASME规范和RCC-MRx标准中的屈曲设计方法,分析了不同设计方法的差异。最后以轴压载荷下的圆柱壳为例,开展了基于ASME规范和RCC-MRx标准中屈曲设计方法的应用案例研究。     

腐蚀管道剩余强度的评价方法及剩余寿命预测

介绍了ASME B31G-2009、BS 7910-2005、PCORRC和API 579-1/AMSE FFS-1-2007四种标准中计算腐蚀管道剩余强度的经验公式,分析对比了四种管道剩余强度评价准则对预测结果的影响;并采用AMSE B31G-2009标准公式、有限元模拟和可靠性分析三种手段分别对某缺陷集输管道进行了剩余寿命预测。结果表明:对于不同钢级管道,API 579-1/AMSE FFS-1-2007标准方法预测的剩余强度最为保守,其次为ASME B31G-2009标准方法预测的,BS 7910-2005标准和PCORRC标准方法得到了相似的曲线,BS7910-2005标准的计算结果要稍大一些;为提高预测精度,需采用非线性有限元和可靠性分析法进一步预测剩余寿命;采用经验公式、有限元法和可靠性分析得到的剩余寿命结果较为接近,分别为10.8,12,13.6a。     

多孔板薄膜加弯曲应力计算方法研究

针对正方形排布多孔板结构等效分析问题,分别建立三维实体有限元模型和等效实心板轴对称有限元模型。并分别使用直接有限元方法求解和ASME规范中三角形排布多孔板的等效方法计算两个模型孔洞处最大薄膜加弯曲应力。通过计算结果比较,证明使用ASME规范方法计算结果更为保守,其可用于正方形排布多孔板的应力评定。结论为使用等效模型对正方形排布多孔板进行ASME应力评定提供了一定的参考和依据。     

基于子模型的车钩裂纹扩展特性研究

为保证货车运营安全和车钩维修成本控制,基于子模型法在钩体和钩舌疲劳裂纹易发生区建立了含椭圆形表面裂纹模型。采用有限元法与交互积分法相结合的方法,分析了裂纹前缘3种开裂形式下的应力强度因子,确定了不同部位裂纹开裂的主要形式;分析了钩体牵引突缘和钩舌牵引面处裂纹在不同扩展阶段的前缘应力强度因子和扩展路径。结果表明,钩体牵引突缘过渡区和钩尾销孔处、钩舌的牵引面与牵引突缘过渡区的裂纹扩展形式主要以I型裂纹为主,钩体锁腔处裂纹扩展以II型裂纹和III型的复合型裂纹为主;随着裂纹扩展长度的增加,钩体牵引突缘过渡区和钩舌牵引面尖端处的应力强度因子大于裂纹深度尖端处的应力强度因子,表明当裂纹扩展到一定尺寸时,裂纹沿表面长度扩展大于沿深度方向的扩展,模拟的扩展路径与实际扩展路径相似,验证了数值模拟的准确性。     

带内表面裂纹的组合厚壁筒装配应力强度因子研究

由于过盈配合组合厚壁筒内会产生装配应力。文中用权函数方法导出组合厚壁筒带半椭圆形表面裂纹的内壁在装配应力下的应力强度因子公式。这些公式可用于计算组合厚壁筒在不同裂纹深度、形状和不同材料、过盈量、尺寸情况下的应力强度因子。研究装配应力强度因子随表面裂纹深度和形状的变化规律。     

含不同尺寸裂纹管道极限内压的有限元模拟及计算公式修正

建立了含热影响区裂纹X80焊接管道模型,模拟了残余应力分布并进行了验证;采用有限元方法模拟得到有、无焊接残余应力以及不同裂纹尺寸下焊接管道的极限内压,并与ASME B31G标准、DNV RP-F101标准和PCORRC方法计算得到的进行对比;结合PCORRC方法和有限元模拟结果修正了极限内压计算公式。结果表明:无论是否存在焊接残余应力,焊接管道的极限内压均随裂纹深度或长度的增大而降低,且焊接残余应力对极限内压的影响随裂纹长度的增大而减小;3种方法计算得到的极限内压均随裂纹深度的增大而降低,但裂纹越深,计算结果与模拟结果的误差越大;采用修正公式计算得到含表面裂纹管道和含热影响区裂纹焊接管道的极限内压和模拟结果的相对误差分别在8%,7%以内,说明此极限内压计算公式具有一定的工程适用性。     

应用改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹应力强度因子

基于有限元计算结果计算结构的能量释放率,利用能量释放率来计算结构的应力强度因子。本文对现有的虚拟裂纹闭合方法作了改进,即应用本文改进的虚拟裂纹闭合方法求解三维裂纹体应力强度因子时,裂纹前缘的裂纹面可以是任意形状,且裂纹前缘的有限元单元宽度可以不等。文中以三维表面裂纹为例,应用改进的虚拟裂纹闭合方法计算了该结构的应力强度因子,同时讨论了裂纹前缘有限单元宽度对应力强度因子的影响。     

T应力对复合型断裂韧度的影响

作为结构疲劳裂纹重要的断裂参数之一,应力强度因子可反映裂纹尖端应力场的强度。但实验发现,在求解断裂角时,裂纹尖端应力场中的T应力项对数值计算结果影响较大。文中采用Ansys 15.0中的相互作用积分法来求解应力强度因子和T应力,分析含裂纹结构的几何尺寸、载荷大小、初始裂纹长度和裂纹角对SIF和T应力的影响,对比考虑T应力后的最大周向应力准则MTS和传统的MTS,分析了T应力对裂纹扩展方向的影响。     

基于ASME Ⅲ-5规范和R5规程的高温非弹性蠕变疲劳损伤评价方法研究

对ASMEⅢ-5规范和R5规程的非弹性蠕变疲劳损伤评价方法进行对比性分析及研究,详细探讨了两者的保守性构成,并基于两种规范对异型三通结构进行了蠕变疲劳损伤计算,对两种规范下蠕变疲劳损伤计算结果的差异进行了分析。结果表明,保守使用R5计算的蠕变疲劳总损伤为0.111 4,远小于ASME总损伤2.643,与不考虑安全系数的ASME总损伤0.270 9较为相近。因此,在ASME工程评价过分保守时,R5可以作为可选规范。     

空冷器管箱接管的应力仿真分析

为帮助生产者避免因应力集中而出现接管断裂的情况,提出了一种基于有限元分析的弹性应力分析方法,对空冷器管箱接管进行强度分析。分析有限元仿真计算的结果,得出最大应力位于管箱接管的连接位置。同时,依据《ASME锅炉压力容器规范》对其进行了应力强度评定,验证了设计的安全性和合理性,并基于分析结果提出改进措施,为相关工程设计提供了参考依据。     

核级设备简化弹塑性疲劳分析中的塑性修正

ASME和RCC-M规范中规定了核级设备简化的弹塑性疲劳分析方法。规范中规定了泊松比效应和应力应变非线性导致的塑性修正因子(K_e)。RCC-M规范提出了分别适用于机械载荷和热载荷作用下的塑性修正因子。文中对蒸汽发生器主给水接管隔热套管进行疲劳分析,采用上述修正因子进行塑性修正并比较。结果表明在总应力中热应力占主导的情况下,ASME规定的塑性修正系数最为保守,RCC-M规定的塑性修正系数次之,泊松比效应导致的塑性修正因子保守性最小。     

流固耦合下核电一回路弯管内表面裂纹分析

为了了解压水堆一回路弯管内表面裂纹在流固耦合作用下的扩展状况,利用ANSYS Workbench建立了含环向内表面裂纹弯管的流固耦合模型,在不同约束条件下对不同位置的裂纹前缘应力和应力强度因子K进行了分析。分析结果表明:只有内压作用时,流固耦合会增大裂纹前缘K与应力,而且对外弯处裂纹影响大。只有闭合弯矩时,流固耦合会减小外弯处裂纹前缘K与应力。内弯处裂纹受压应力,流固耦合会减小压应力。只有张开弯矩时,流固耦合会增大内弯处裂纹前缘K与应力。外弯处裂纹受压应力,流固耦合会增大压应力。分析结果为核电一回路含缺陷弯管的安全性评价提供一定的依据。     

含多处损伤多孔铆接加筋板应力强度因子研究

多孔多损伤(multiple site damage,MSD)加筋结构的损伤容限评定,特别是MSD裂纹应力强度因子(stress inten sity factor,SIF)的精确求解是当今航空工程中亟待解决的问题.文中采用铆钉的两种表现形式(常规2D元和简化的弹簧元)的组合方式,建立含MSD多铆钉多筋条加筋平板结构的有限元模型,通过计算得到加筋板不同损伤模式下SIF随裂纹扩展历程变化规律的曲线,与已有的文献比较表明,本文数值结果精确、方法可靠,即不同长度裂纹的SIF计算可有效地通过FIRANC2D/L软件的裂纹扩展功能实现;同时分析MSD、腐蚀损伤、铆钉与孔间的干涉配合、铆钉材料及直径和筋条刚度等因素对SIF的影响规律,计算结果和结论可作为该类结构损伤容限设计的参考依据.