含纵向裂纹斜接弯管的有限元分析

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压力管道的适用性安全评价技术已经在国际上得到了广泛的应用,断裂力学是安全评价的理论基础。本文采用有限元分析方法,对含纵向裂纹斜接弯管的断裂参量进行了计算和研究。在ANSYS中模拟了含纵向裂纹斜接弯管的断裂行为,建立了含纵向裂纹斜接弯管的有限元模型,分别对内压和面内张开弯矩作用下的含纵向半穿透裂纹(φ=90°位置)斜接弯管的应力强度因子KI、极限载荷PL、ML以及J积分进行了计算;对内压和面内张开弯矩单独及组合作用下含纵向穿透裂纹(φ=90°位置)斜接弯管的极限载荷进行了计算。主要工作如下:(1)含裂纹结构有限元模型的建立,以及建立模型方法的验证。介绍了ANSYS中裂纹模拟的方法以及建立有限元模型求解应力强度因子和极限载荷的方法;建立了含纵向裂纹的直管有限元模型,合理选取单元,进行计算并与美国电力研究院编制的EPRI手册中的理论解进行了对比,验证了建立模型方法的可行性与准确性。(2)建立了含纵向半穿透裂纹的斜接弯管有限元模型,求解应力强度因子KI。采用ANSYS中的APDL语言进行编程和参数化计算,分别讨论了在内压和弯矩作用下,几何参数裂纹相对长度、裂纹相对深度以及管壁相对厚度、载荷对应力强度因子KI的影响,并根据EPRI提供的公式将KI转化为无量纲参量——形状系数F,对计算所得的数据进行了拟合,分别得到了内压和弯矩作用下计算形状系数F的公式。(3)计算了理想弹塑性状态下含纵向裂纹斜接弯管的极限载荷,可分为两部分:半穿透裂纹和穿透裂纹。重新建立了含穿透裂纹斜接弯管的有限元模型。讨论了在内压和弯矩作用下,裂纹相对长度、裂纹相对深度以及管壁相对厚度对含纵向裂纹斜接弯管极限载荷的影响,以及穿透裂纹形式下,内压和弯矩组合作用下斜接弯管的极限载荷。(4)求解了理想弹塑性状态下含纵向裂纹斜接弯管的J积分。分别讨论了在内压和弯矩作用下,裂纹相对长度、裂纹相对深度以及管壁相对厚度对J积分的影响。
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