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管道轴向内表面椭圆裂纹尖端应力场有限元分析

刘阳  
【摘要】:随着断裂力学理论的不断成熟以及计算机技术的飞速发展,断裂力学在工程实际中得到了广泛的应用。目前,应用断裂力学理论对在役压力管道进行断裂研究,也成为学术者研究的热点之一。但是,对于一些特殊的含有裂纹缺陷的结构进行断裂研究仍然缺乏可以直接利用的断裂参数分析结果。本文以断裂力学为基础,采用有限元分析方法,借助ANSYS有限元分析软件,建立不同情况下的含有轴向内表面椭圆裂纹的管道有限元模型,进行分析计算,给出线弹性条件下不同情况(不同裂纹尺寸、不同载荷条件等)的轴向内表面椭圆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应力强度因子修正系数F,并对其进行拟合,给出修正系数F的表达式。并对裂纹尖端的应力场进行研究,对比分析结果,讨论裂纹尖端应力场的影响因素。 本文工作的主要内容包括: (1)依据断裂力学的理论知识,分析研究平面裂纹尖端的应力强度因子的求解方法,应用ANSYS有限元分析软件,建立裂纹平板、裂纹管道有限元模型,验证本文所采用SHELL93单元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)建立不同情况下含有轴向内表面椭圆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,并提取有限元计算结果,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。 (3)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,分析研究裂纹周围应力、应变场的分布,并提取结果绘制曲线图,讨论其变化规律。 (5)在内压载荷作用下,分析研究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。 (6)引进材料应力-应变关系,对含有轴向内表面椭圆裂纹管道进行弹塑性有限元分析,研究裂纹尖端应力、应变场的分布。


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