基于ANSYS的油气管道表面椭圆裂纹的断裂力学有限元分析

针对小裂纹断裂力学的基本概念,主要分析了油气管道表面裂纹的断裂,并运用ANSYS workbench15.0有限元软件建立裂纹的有限元模型,进行了断裂力学计算,得出了裂纹的KⅠ、KⅡ、KⅢ强度因子和J积分,定性和定量的评定了裂纹尖端的应力场强弱程度,为压力管道裂纹的研究提供了数据参考。     

G*积分理论求解应力强度因子及有限元法验证

利用G*积分理论求解管道裂纹应力强度因子.再应用ANSYS有限元分析软件,计算出纯弯曲、三点弯对称环向穿透裂纹和拉伸周期裂纹的应力强度因子.将应力强度因子的G*积分解与有限元解相比较,它们的相近验证了G*积分理论的适用性.     

31Si2MnCrMoVE钢薄板试样表面裂纹断裂韧度测试

31Si2MnCrMoVE钢是为符合固体火箭发动机壳体设计需要而专门研制的超高强度钢。随着冶炼技术的进步,31Si2MnCrMoVE钢断裂韧度不断提高,构件采用的板厚也越来越薄。由于较高的断裂韧度和较小的板厚,给钢板表面裂纹断裂韧度测试带来困难,韧带尺寸偏小,难以满足有效性判据。这种情况下,不应该用线弹性断裂力学方法评价材料的断裂韧度,而应采用弹塑性断裂力学测试材料的延性断裂韧度JIC。基于以上原因,在条件断裂韧度不满足有效性判据的情况下,采用试验与有限元分析相结合的方法,通过试验测出裂纹启裂时的条件载荷,用有限元法计算出在条件载荷作用下的延性断裂韧度JIC,再用断裂力学理论转换成表面裂纹断裂韧度KIe。用JIC作为断裂参量,就必须分析J积分的有效性,因此讨论超高强度钢表面裂纹前缘的J守恒和J主导的有效性,从而为固体火箭发动机设计提供依据。     

三维裂纹弹塑性J积分计算技术研究及工程应用

为解决三维裂纹研究需要,本文开发了一套基于增量理论的三维弹塑性有限元程序,并编制了使用虚裂纹扩展法计算J积分的后处理程序。通过计算中心穿透裂纹和表面裂纹J积分并与现有解进行比较,考核了该程序的计算精度。在此基础上,计算了中心理藏裂纹J积分JE并与相应的穿透裂纹J积分JT进行比较,提出以p／a＝0．4作为埋藏裂纹再表征为穿透裂纹的控制条件。     

裂纹位置对焊接接头断裂参量的影响

结合焊接结构的工程安全评定,针对焊接接头熔合线上容易出现缺陷的问题,本文利用有限元计算方法,编写了断裂参量J积分计算的有限元程序,并对裂纹位置不同时的焊接接头进行了有限元计算。结果表明,无论是平面应变还是平面应力条件下,焊接接头J积分值都与全母材和全焊缝材料不同;与此同时,裂纹位于熔合线上和裂纹处于焊缝中,焊接接头的J积分值也是有所差异的,并且,这种差异在平面应变状态下表现得更加明显。在实际工作中,对焊接接头的断裂参量的计算必须考虑裂纹所处位置的影响。     

基于数字图像相关的J积分测量方法

J积分是定量描述裂纹尖端区域应力应变场强度的重要断裂参量,J积分的快速准确测量对于评估机械装备上裂纹的稳定性和扩展性有重要意义。从J积分的原始理论公式出发,结合数字图像相关技术,提出了一种J积分测量新方法。该方法首先通过数字图像相关技术,在不同载荷下对含裂纹缺陷的紧凑拉伸试样的表面位移场和应变场进行测算;然后选取围绕裂纹尖端的矩形积分路径,用离散化的方法对积分路径进行处理,并编写Matlab程序计算J积分;最后将该方法的计算结果与美国电力研究院(EPRI)工程估算法和有限元法获得的J积分进行对比。结果表明,由本文提出的方法获得的结果与其它计算方法获得的结果相近,并且在实验测量J积分方面具有非接触、高精度、光路简单、受环境影响小等优点。方法为裂纹断裂参数J积分的实验测量提供了一种方法,并可用于大型在役机械装备上表面裂纹的安全评估。     

内压条件下轴向内表面裂纹管道蠕变断裂参量C*的工程估算方法

以内压条件下含轴向内表面裂纹的管道为研究对象,通过引入x0参数使J积分全塑性解与蠕变指数无关对Zahoor提出的蠕变断裂参数C*估算方法进行改进;采用改进方法、Zahoor估算公式以及参考应力法中的R6整体解和Kim优化解计算不同蠕变指数和不同裂纹尺寸下的C*值,并与有限元计算结果进行比较.结果表明:参考应力法所得C*值比有限元计算结果大2～8倍,准确度较差;改进方法所得C*值与有限元计算结果的比值在1左右,准确度较高;与Zahoor估算公式相比,改进方法在蠕变指数为3时的计算准确度更高,但随着蠕变指数增大,2种方法的计算准确度趋于相同.     

试件和内压管道裂纹端约束效应的相关性分析

为使实验得到的结果更好地应用于估测内压管道的断裂,选取X80钢试件的一些几何体和载荷配置,在J-A2方法的基础上,用平面应变及非线性分析,对不同形式和尺寸的断裂试件裂纹端的约束效应进行数值计算,得到各种试件的J-A2曲线.结果表明,单边缺口拉伸试件的约束参数A2对载荷水平J不是很敏感.而单边缺口弯曲和紧凑拉伸试件由于弯曲应力的影响,A2值随J有一定的变化.具有相同裂纹深度的单边缺口拉伸试件与内压管道的J-A2和a/W-A2曲线相关性较好.最后,应用单边缺口拉伸试件的实验曲线和管道的有限元数值结果,对有裂纹管道进行断裂预测.     

基于SENT试样获取材料断裂韧度的载荷分离法研究

单边裂纹拉伸(Single edged notched tension,SENT)试样因其低约束特性逐渐被用于管道材料的断裂韧度评定。根据有限元法,提出SENT试样的应力强度因子表达式,J积分计算中的增量塑性功算式以及塑性因子算式,并与文献中公式进行对比证实公式的精确性和有效性。依据ASTM用于CT试样获取断裂韧度载荷分离理论规则化方法提出适用于SENT试样的量纲一载荷分离法,并通过有限元计算证实SENT试样载荷分离的成立性。由量纲一载荷分离理论中的规则化方法完成了汽轮机低压转子材料30Cr2Ni4MoV、电站用P92管道钢以及5083-H112铝合金SENT试样断裂韧度值以及J阻力曲线测定,获得了各材料合理的J阻力曲线及条件断裂韧度JQ值。     

含表面缺陷离心机转鼓底的安全评定

利用表面裂纹理论，通过三维有限元计算和疲劳裂纹扩展速率的测定，首次分析了含表面缺陷离心机转鼓底疲劳断裂问题，给出了具有安全裕量的设计疲劳曲线，可作为离心机设计和使用的依据。