基于有限元模拟的压力管道轴向裂纹应力强度因子计算.pdf
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1、2 0 1 0年 第 3 9卷 第 8期 第 1页 石油 矿 oI L FI ELD 场 机 械 EQUI P ME NT 2 0 1 0, 3 9 ( 8 ): 1 7 o o 文 章 编 号 : 1 0 01 3 48 2( 2 01 0 ) 08 0 00I - 0 7 基于有限元模拟的压力管道轴向裂纹 应力强度 因子计算 曹宇光 1 , 孔 谦。 , 田 凯 , 张 卿 , 张 杰。 ( 1 中国石油大学 储 运与建筑工程学院 , 山东 东 营 2 5 7 0 6 1 ; 2 胜利石油管理局 钻井工艺研究院 , 山东 东营 2 5 7 0 1 7 ; 3 中国石化西北油 田分公 司 完
2、井测试管理 中心 , 新疆 轮 台 8 4 1 6 0 0 ) 摘要: 基于有限元软件 ANS YS对一种新型的管道断裂行为研 究试样进行 了三维建模与数值分析。 对 用 于模 拟 实 际工况 的无加 载孔模 型 和 用于 实验 研 究 的有 加 载孔 模 型 分 别建 模 , 并 计 算 了裂 纹 尖 端应力强度因子。对比研 究发现 , 有加栽孔模 型可以较好地反应工程 实际, 并可用于管道断裂力学 行为的研 究。通过改变断裂试样厚度与裂纹长度发现 : 应力强度因子 K 随着试样厚度 的增大而减 小, 而裂纹长度增大时 K值也有减小的趋势。 关 键词 : 压 力管道 ; 应 力强度 因子 ;
3、 有 限元 中图分 类号 : TE 9 文献 标识 码 : A Ca l c u l a t i o n o f S t r e s s I n t e n s i t y Fa c t o r s o f Ax i a l Cr a c k s o n Pr e s s u r e Pi p e l i ne s Us i n g FEM S i m u l a t i o n C AO Yu g u a n g , KONG Qi a n 。 , TI AN Ka i , Z HANG Qi n g , ZHANG J i e 。 ( 1 Co l l e g e o f Tr a n s
4、 p o r t& S t o r a g e a n d Ci v i l En gi n e e r i n g, Ch i n a Un i v e r s i t y o f Pe t r o l e u m , Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1, Chi n a: 2 Dr i l l i ng Te c h no l o gy Re s e a c h I n s t i t ut e, She ngl i Pe t r o l e u m Admi ni s t r at i o n, Do n gyi ng 25 7 017, Chi n a; 3 W e
5、l l Co mpl e t i n g Te s t M an age me nt Ce nt e r, No r t hwe s t Pe t r ol e um Br a nc h, SI N OPEC, Lun t ai 8 416 0 0, Chi n a) Abs t r a c t : By u s i n g FEM s i mul a t i on s o f t wa r e ANSYS, t h r e e - di m e ns i on a l mod e l i n g o f a ne w t yp e o f s p e c i me n f o r t h e
6、 s t u d y o f f r a c t u r e b e h a v i o r o f p r e s s u r e p i p e l i n e s wa s d e v e l o p e d a n d n u me r i c a l a n a l ys i s wa s a l s o c a r r i e d on The m o de l wi t h l o a d i n g ho l e s f o r s i m u l a t i ng a c t ua l wor ki ng c o nd i t i o ns o f pi pe l i ne
7、a n d t he on e wi t ho u t l oa di n g ho l e f or e xp e r i me n t a l s t u d y we r e d e v e l o pe d a n d a n a l y z e d, r e s p e c t i v e l y Re s ul t c o mpa r i s o n s ho we d t ha t t he mo de l wi t h l o a d i ng ho l e s c ou l d r e f l e c t t he e n gi ne e r i n g p r a c t
8、i c e s we l l a nd i t c ou l d be u s e d i n t he s t ud y o f t he f r a c t u r e m e c ha ni c a l be ha v i o r s o f p r e s s ur e pi pe l i n e s By c ha n gi n g t h e s p e c i me n t h i c kn e s s a n d c r a c k l e n gt h i t wa s f o u nd t h a t wi t h t h e i n c r e a s e o f s p
9、 e c i me n t h i c k n e s s a n d c r a c k l e n g t h, t h e c a l c u l a t e d K f a c t o r s d e c r e a s e d Ke y wo r d s: p r e s s ur e p i pe l i ne; s t r e s s i nt e ns i t y f a c t or ; f i ni t e e l e m e nt m e t ho d 压力 管道 担负 着输 送易 燃 、 易 爆 、 高温 、 腐蚀 、 有 毒及放射性介质的重要任务 , 一旦发生泄漏或断
10、裂 将有可能引发爆炸、 燃烧 、 中毒等重大事故 , 使人 民 的生命 和财 产 遭受 巨大损 失 。在 役含缺 陷 的压力 管 道对 安全形 成 了严重 的威 胁 。 因此正确 评价 一个 己 知缺陷结构的危害性 , 是一个与整个生产系统的安 收稿 日期 : 2 0 1 0 0 2 2 5 作者简介 : 曹宇光 ( 1 9 7 9 一 ) , 男 , 湖南湘潭人 , 副教授 , 博 士 , 主要从事 石油工 程力学 教学 和科研工 作 , E m a i l : e a o y u g u a n g g ma i l c o m 。 石油 矿 场机 械 2 0 1 0 年 , 月 全性和经
11、济性直接相关的问题 。 近 2 0 a 来 , 我国科研及工程技术人员对断裂力 学在压力容器及管道的应用方面也进行了大量研究 工作, 并取得了很大的进展 1 。由于结构和受力状 态 的复 杂性 , 对 压力 管 道 的检 测 和安 全 评定 工 作 还 比较困难。其中各种缺陷特别是对一些管件的断裂 研究还不全面 , 使得对压力管道的安全监管受到一 定制约。随着计算机及其软件技术的发展 , 有 限元 方法成为一种行之有效的分析手段 。本研究针对 国 内压力容器和压力管道长期存在 的共性问题 , 由具 体管道特征参数和边界条件 , 根据弹塑性断裂力学 理论 , 对 输油管 道裂纹 尖端应 力场 求
12、解 , 得 到尖端 塑 性区范围, 具有工程实用价值 。 1 试样设计 用 小尺寸试 样 的研 究成 果能 否准确地 预测 大型 工业设 备 的断裂 行 为 的讨 论 由来 已久 , 目前仍 在 继 续 。一 些学者认 为虽 然裂纹 启裂 的初始材 料特征 可 以通过在实验室里用小尺寸 的试样测试得到 , 但是 裂纹扩展过程必须通过大型试样测试获得 5 。其他 一些学 者认为小 试样 的断裂 韧度 不能准确 地预测 大 型结构的断裂行为 , 因此反对使用小试样 。随着 断裂力 学 的发 展和 实 验手 段 的不断 进 步 , 学者 们 已 经 证 明 , 通过采 用更科 学 的方法 , 设 计
13、 出更 符合 工程 实际的试样 , 可 以在实验室条件下准确地预测大型 结构的断裂力学行为。 在断裂力学中, 裂纹按其受力及裂纹扩展途径 分为 3种类 型 , 即 , 张开 型 ( 王型 ) 、 滑 开 型 ( 型) 和 撕开型 ( D I 型 ) 。对 于 I型裂 纹 临 界 应 力 强 度 因 子 KI c 的测 定 , GB 4 1 6 1 - 1 9 8 4标 准规定 了 4种标 准 试 样 啪 : 三 点弯 曲试样 、 紧凑拉 伸试样 、 C型拉 伸试 样 , 以及圆形紧凑拉伸试样。三点弯曲试样和紧凑拉伸 试样适用于板材 的试验 , c型拉伸试样 ( 如 图 1 ) 和 圆型紧凑拉伸
14、试样分别适用于管材和棒材的试验。 C型拉 伸试样 虽 然 能够 用 于 管材 的试 验 , 但 该 试 样 裂纹扩 展 的路 径是 沿 着管 壁 厚 度方 向的 , 只适 用 于 沿壁厚 方 向扩展 的裂 纹 的 K 的测 定 , 对 于沿 管 道 轴向扩展的裂纹不能采用该试样进行测定 。工程实 际中管道裂纹扩展不但沿着厚度方 向, 而且还会沿 着管道轴向扩展延伸。本文着重研究裂纹沿管道轴 向扩展 的断裂 行 为 , 所 以不 采用 C型拉 伸试 样作 为 研究模 型 。 图 1 C型拉伸试样 A S h t e r e n l i k h t 等在管道断裂研究方面做了大 量的工作, 设计 出
15、一种新型试样 , 用于测试裂纹扩 展过程 中的裂纹尖端张开角 ( C TOA) , 取 得了良好 的效 果 。试 样 如 图 2所 示 。试 样 取 自直 径 为 D 1 2 1 9 mm, 壁厚 为 1 3 8 mm的管 道, 试 样厚 度为 1 1 mm, 其 中部 测 试 区域 的 厚 度 被 机 械 加 工为 8 mm。 为了真实地模拟在 内压作用下裂纹在管壁上 扩展的行为 , 在试样 的 2个加载 区分别均匀设置了 4个加载孔 , 以便均匀地施加载荷 。这种设计使得 试样在保持了管材原来的曲率的基础上, 可在裂纹 尖端获得一个较大的塑性区域 ; 另外, 多加载孔的设 计也保证了试样在
16、试验过程 中主要承受拉伸载荷 , 最 大限度地 接近真 实情况 。 a主 视 图 第 3 9 卷第 8期 曹字光 , 等 : 基于有限元模拟的压力管道轴 向裂纹应力 强度因子计算 b 侧 视 图 C试 样 开 口 (I号 放 大 ) 图 2 试 样 形状 2有 限元模型 A S h t e r e n l i k h t 等人利 用 上述试 样 进行 C T OA 测试 , 需要 加 载 , 因此必 须将 试件 削平 。本 文仪 通过 有 限元计 算软 件 ANS YS计 算压 力管 道 轴 向裂 纹尖 端应 力强 度 因子 。 因此 , 在 建 模 时 本 文 对 图 2中 的 模 型进行
17、了简 单 改 进 。不 削 平 试 件 , 直 接 对从 管道 上截 取 曲板建 模 , 这样 可 以使 得 所 分 析 的 试样 更 接 近 于实 际工况 。同时 , 本文 建立 了有 加 载孔 ( 如 图 3 所示 ) 和无 加 载孔 ( 如 图 4所 示 ) 2种 模 型进 行 对 比 分析 。加载孔 的设置是为了试验时方便对试件进行 加载 ; 而进 行 有 限元 计 算无 需加 载孔 , 同时无孔 模 型 也更符合管道承载的实 际情况 , 其结果亦可 以作为 检验 试验 中采 用 的有孔 模 型是否 合理 的依 据 。 图 3 有 加 载 孔 模 型 图 4无加载孔模型 图 3的有加载
18、孑 L 模 型共有 1 6 7 6 6 2 个单元 , 图 4 的无孔模型共有 1 5 9 3 1个单元 。由于加载孔的存 在 , 为 了提高 计算 精度 , 在 单元 周 围设置 了较 密 的网 格 , 因而 整个 模型 的单 元 数 量 明显 比无 孔 模 型增 加 很多 。裂纹尖端是本研究最关心 的区域 , 为 了提高 计算精度设置 了较密的网格 , 同时为 了节省计算 资 源 , 在其 他 区域 的 网格 相 对稀疏 。 2 1 裂 纹前 缘 单元处 理 裂纹前缘 的应力场存在一个数学上无限大的奇 异点 , 根 据收 敛性 定理 , 只有 当增加 的单元 数 能使 近 似位 移 场及其
19、 一 阶导 数场 任意 地接 近真 实场 时才 能 保证 收敛 。但 由于裂 纹尖 端 附近位 移场 精确 解 的一 阶导数在裂纹尖端无界, 常规单元的位移模式不能 反 映尖端 处 的奇 异 性 , 不 满 足 收 敛 性 条 件 。 即使用 很细 的网格 , 也难以达到精度 。为了模拟裂纹前缘 应力 和位 移特 性 , 7 O年 代 中期 , 亨 舍 尔 ( He n s h e l 1 ) 、 邵 ( S h a w, 1 9 7 5 ) 和 巴 索 姆 ( B a r s o u m, 1 9 7 7 ) 各 自独 立地构造 了一种裂纹前缘单元 ( 也称奇异单元) , 如图 5所示将六面
20、体单元退化为奇异等参单元。 , | M U N 图 5 S O1 I D 9 5 单元及其退化 的奇异等参 单元 对 于含 有裂 纹 的三维 构件 的单 元划 分是 比较 复 杂 的 。在 ANS YS中 需 要 用 改 进 的 2 O节 点 S O L I D 9 5实体单元构造裂 纹尖端。本文 中裂纹前缘采 用 1 4 、 2 0 节点等参退化奇异单元 , 即将裂纹尖端附 近单 元 中间 节点 移 至裂 纹 尖 端 1 4处 , 用 4节 点 来代 替 裂纹 尖 端 节 点 , 以适 应 该 处 的应 力 奇 异l 1 。 裂纹 尖 端及 附近 的有 限元 模 型如 图 6 所 示 。为
21、了提 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 8月 高计算精度 , 在裂纹尖端设置了不 同数 目的网格密 度 , 而且 也设 置 了不 同 的 奇异 单元 层 数 。经 过 比较 并考虑计算速度 , 最终 围绕裂纹尖端设置了两层奇 异 单元 , 第 1 层 设 置 了 2 O个 单 元 , 研 究表 明这 样 既 能保证计算精度 , 又能保证适当的计算速度 。 图 6 裂纹尖端及附近的网格划分 2 2约 束处理 由于试 样形 状具 有对称 性 , 在计 算 时只选 用1 2 结 构进行分 析 。对 于 对称 结 构 , 如 果是 平 板 模 型 只 需要在对称面施加对称约束即可 , 但是本文
22、所用模 型必 须将对 称 面至少 限制 2个方 向的位移 。这 是 因 为对 称约束 只 限制垂 直 于 对 称 面 的位 移 , 这 对 于 只 受垂 直于 对 称 面 方 向拉 压 载荷 的 平 板模 型 已经 足 够 , 但 是对 于 曲板 如 果 在两 端 面 施 加法 向载 荷则 会 在平 行于对 称面 的方 向产 生一 个 力 的分 量 , 必须 限 制沿着这个分量方向的位移, 因此对于本文所用 曲 板模 型必须 限制 至少 2个方 向 的位 移 。 2 3 载荷 的施加 试 样平 面应变 断裂 韧度 K 的计算 需 要 知道 临 界载荷 , 对 于本文 模 型难 以找 到 现成
23、的对应 不 同裂 纹长度的临界载荷 , 但是在非临界载荷状态作用下 也可 以求 出裂纹 尖端 的 K 因子 。为 了方便对 比 , 本 文采用一个平板模型的临界应力强度因子作为参考 值 , 代 人应力 强度 因子 的计 算公 式 中 , 根据 不 同的裂 纹 长度 反推 出需 要施 加 的载荷 。本文 以 3 5号 钢平 板 模 型测定 的临界 应 力 强度 因子 值作 为 参 考 值 , 反 推得到本文计算中模型所需施加的载荷 , 具体 的计 算过程如下。 根据 3 5号钢的力学参数 , 以及理论应力强度因 子 值 1 K。 一8 0 MN m 代人 下 述 方程 中求 出模 型 上 表面所
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- 基于 有限元 模拟 压力 管道 轴向 裂纹 应力 强度 因子 计算
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