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基于有限元的管道内表面多裂纹干涉研究

王璐  
【摘要】:目前,应用断裂力学理论对在役压力管道进行断裂研究,已成为学术者研究的热点之一。由于管道结构中除了单个形式存在的裂纹外,还有多个裂纹同时存在的情况。多裂纹之间的相互干扰作用使得问题远比单裂纹复杂。 本文以断裂力学为基础,采用有限元分析方法,借助ANSYS软件,建立不同情况下不同类型的多裂纹管道有限元模型,进行分析计算;给出线弹性条件下不同情况(不同裂纹尺寸、不同载荷等)的环向内表面裂纹管道的应力强度因子K,值;进一步换算为工程实际中易于应用的形状因子F,给出形状因子F的表达式。并对径向多裂纹、环向多裂纹及管道含环向和轴向两种类型裂纹时的裂纹尖端应力强度因子进行研究,讨论裂纹之间干涉的影响因素。 本文工作的主要内容包括: (1)依据断裂力学的理论知识,分析研究二维、三维裂纹尖端应力强度因子的求解方法,应用ANSYS有限元分析软件,建立径向裂纹、环向裂纹有限元模型,验证本文单元选择与建模方法的准确性和可靠性,为本文以后工作打下坚实的基础。 (2)在线弹性条件下,对受内压载荷作用的含二维径向多裂纹管道进行大量的研究。给出双裂纹应力强度因子的有限元计算值,并针对不同的影响因素,总结应力强度因子的变化规律;讨论裂纹数量,裂纹深度,裂纹夹角,内外径比对多裂纹干涉的影响。 (3)建立不同情况下含有环向内表面裂纹管道有限元模型。在内压载荷作用下,得到线弹性条件下的应力强度因子K,值,绘制出应力强度因子随着不同影响因素的变化关系图,分析讨论其变化规律。进一步求解应力强度因子修正系数F值,并绘制成曲线图,总结讨论其变化规律,并对曲线进行拟合得到应力强度因子修正系数F的表达式。 (4)在内压载荷作用下,分析研究环向多裂纹应力强度因子的相互影响,探讨管道壁厚、裂纹深度、裂纹间距离等对应力强度因子的影响。 (5)当管道含有两种不同类型的裂纹,环向裂纹与轴向椭圆裂纹时分析两种裂纹随距离变化,各自裂纹参数改变时对裂纹尖端应力强度因子的影响。


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