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实际工程中,圆筒形压力容器开孔接管连接处由于制造、使用和环境作用等原因会出现环向表面裂纹。这种裂纹的萌生及扩展成为压力容器安全运行的重大威胁。由于这种环向表面裂纹几何形状比较复杂,从目前查阅的文献情况看,在压力容器安全评定方面对于这种裂纹缺陷的研究资料甚少。
应力强度因子是表征裂纹尖端附近应力场情况的重要参量,对于小范围屈服的断裂问题,它是研究设备安全问题的重要参量。
本文通过在裂纹前沿设置奇异单元,建立了圆筒形压力容器开孔接管焊缝处环向半椭圆表面裂纹断裂力学有限元分析模型,通过VB实现了对ANSYS有限元程序的封装调用,编制了便于工程应用的应力强度因子计算的自动分析软件;通过该软件的应用,计算了在内压作用时,不同几何参数情况下圆筒形压力容器开孔接管处环向半椭圆表面裂纹应力强度因子,并分别绘制了裂纹前沿应力强度因子随裂纹相对深度(a/t)、裂纹长度(β)、支管与主管直径比(d1/d2)及裂纹开裂面倾斜角(θ)变化的曲线。
从所绘制的曲线中可以看出:在圆筒形压力容器开孔接管仅受内压这样一种复合型应力强度因子问题中,KⅠ值最大,KⅡ和KⅢ较小,KⅡ的最大值只有KⅠ的19%,KⅢ的最大值只有KⅠ的3%,这说明在开孔接管焊缝处含有环向椭圆裂纹的圆筒形压力容器在受内压情况下的断裂问题主要是Ⅰ型裂纹问题。