管路外表面裂纹应力强度因子研究.pdf
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1、现代极械/ModarnMachineryXiandai Jixie管路外表面裂纹应力强度因子研究周知进1 2,闻多,冷晓峰(1.广西科技大学机械与汽车工程学院,广西柳州54 50 0 3;2.贵州理工学院机械工程学院,贵州贵阳550 0 0 0)摘要:油气管道裂纹会降低管路的承载能力甚至会带来危险,因而研究带内压的有裂纹管道的安全性成为迫切需要解决的问题。以椭圆表面裂纹的管道为研究对象,通过对裂纹体进行有限元软件和三维裂纹分析软件联合仿真,研究裂纹体的应力云图和裂纹应力强度因子变化。研究结果表明:径向裂纹若增大倾斜角与深度,将增加裂纹前缘的应力集中;增加裂纹倾斜角度,I型裂纹应力强度因子和J积
2、分会小,型和型裂纹应力强度因子会增加;椭圆裂纹的深度加大会让裂纹前缘的I型裂纹应力强度因子和J积分变大,但两端处值的增长速度大于尖端处;裂纹长度的增加会让裂纹尖端附近I型裂纹应力强度因子和J积分增长速率大于裂纹两端处。研究结果为管道裂纹扩展与控制提供技术支撑。关键词:管路表面裂纹应力强度因子中图分类号:TE832Research on stress intensity factors of external surface cracks of pipelineAbstract:Cracks in oil and gas pipelines will reduce the load carryi
3、ng capacity of the pipelines,and even bring dangers.Therefore,studying the safety of cracked pipelines with internal pressure has become an urgent issue.Taking the hemispher-ical pipeline with surface cracks as the research object,the change of von-Mises and stress intensity factor of the crack body
4、are studied by the joint simulation of FEA software and three-dimensional crack analysis software.The results show that ifthe tilt angle and depth of the radial crack increase,the stress concentration of the leading edge of the crack will increase.With the increase of crack inclination angle,the str
5、ess intensity factor of type I crack and the J integral will decrease,whilethe stress intensity factor of type II and I cracks will increase.Increasing the depth of elliptical crack will increase thestress intensity factor of type I crack and the J integral at the crack front,but the growth rate of
6、the values at both ends is fas-ter than that at the tip.With the increase of crack length,the stress intensity factor of type I crack and the J integral growthrate near the crack tip are larger than those at both ends of the crack.The research results can provide technical support forpipeline crack
7、growth and control.Keywords:pipeline,surface cracks,stress intensity factor0引言油气管路是用来输送天然气、石油等重要能源资源,故在我国工业体系中有很重要的地位。由于使用环境恶劣,在安装和使用的过程中会有划伤1-2。管路在输送流体时,流体压力会给管路的内壁带来压力,裂纹尖端往往会产生很大的应力集中而让裂纹扩展3,非贯穿裂纹逐渐变成贯穿裂纹,进而导致泄露故障,造成经济和安全方面的损36文献标识码:AZHOU Zhijin,WEN Duo,LENG Xiaofeng文章编号:1 0 0 2-6 8 8 6(2 0 2 4)0
8、 1-0 0 3 6-0 6失4。对管路应力强度因子的研究是分析裂纹体寿命的关键,这有助于我们及时对管路进行更好的安全管理5。管线钢断裂一般均为延性断裂,一旦达到裂纹扩展的门槛值,则裂纹的扩展很难停下来,直至管路断裂6。孙伟栋7 使用ABAQUS软件得到了裂纹尖端应力随裂纹长度、深度、角度变化的规律。邓斯尧8 使用ANSYS做分析得到了管路的三种不同裂纹的应力强度因子和J积分。崔巍等9 人用VCCT的方法计算了裂纹尖端的能量释放率和尖设计、研究、分析12024年第1 期Design,Research&Analysis端张开位移。目前对于油气管道裂纹应力强度因子义为:随裂纹形状大小与角度变化的研
9、究成果较少。鉴于M=f(Wx;n;-Trus.,x,)ds此,从不同角度、长度、深度对初始裂纹的前缘应力强度因子变化规律以及裂纹尖端的受力情况进行研究。1裂纹应力强度因子基础理论工程结构中三种失效模式中,断裂是危害最大的一种,由于工程实践的需要,断裂力学这门学科由此诞生1 0。在工程中,我们往往根据裂纹的受力特点,将裂纹分为三类(图1)。+P(a)I 型(张开型)(b)型(滑开型)(c)型(撕开型)图1 三种不同力学特征的裂纹类型假设裂纹体为线弹性材料,则裂纹尖端附近的应力场为KF,(0)V2Tr其中,K代表应力强度因子,K不依赖于极坐标r和,应力强度因子与构件几何形状、应力作用大小和方式有关
10、,它的存在可以衡量整个裂纹尖端附件的应力场中各点的大小。对于图1 中的三种不同类型的裂纹,应力强度因子分别为KI、K z、K 3。J积分由RICE在1 9 6 8 年提出,随着理论体系的完善,再加上又容易被实验测定,J积分被广泛的应用于裂纹计算中。J积分在能够准确的描述裂纹尖端区域的应力应变场,其定义如下:(ody-T.suds)J=x式中:是回路上任一点的应变能密度;T是回路上任一点的积分矢量;是任意围绕裂纹尖端的逆时针回路。J积分的局限在于仅限于单裂纹问题,M积分法在处理多裂纹问题中有着很大优势。M积分法的物理意义为缺陷自相似膨胀期间的势能变化。其定(3)式中:I表示两条逆时针围绕裂尖的积
11、分路径,W是应变能密度因子。本文计算三种不同类型裂纹的应力强度因子是通过M积分法来计算得到的1 2 EKM(1,2a)2(1-V2)EK)M(1,2b)2(1-V2)EM(1,20)2(1-V2)式中:E为材料弹性模量,V为材料泊松比。T应力又被称作裂纹尖端第二项非奇异项,当裂纹周边处于低约束的情况时,T应力的正负值可以影响材料的断裂韧度1 3,也能改变裂纹起始扩展角的大小。2裂纹体三维模型建立和仿真分析2.1管路的基本参数(1)管路的基本参数:壁厚为7 0 mm,长度为1 50 0mm。管材选用结构钢为材料,弹性模量E为2.1 10MPa,泊松比设为0.3。2.2无裂纹管路的有限元仿真将三维
12、模型导人到ABAQUS软件中,赋予材料属性。网格单元设置为C3D8R六面体单元,网格单元大小为2 6,创建静力分析,内壁施加2 1 MPa的压强,两个端面设置完全固定支撑。提交分析后,得到的应力云图如图2 所示。可以看出,管路的外表面和内表面的应力分布都比较均匀,靠近两端支撑的内外表面应力都相对较小,在稍远离两端的内外表面应力分布几乎一致。外表面(2)的应力值在4 5MPa左右。S,Mises(平均:7 5%)+7.092e-6.659e+01图2 管路的应力云图37现代极械成/Mlodern MachineryXiandai Jixie2.3三维初始裂纹的引入和网格划分在ABAQUS中提交的
13、应力和网格数据以inp的文件的形式导入到三维裂纹扩展分析软件中,并保留带有应力边界条件面的网格,在图3(a)所示的位置中插入裂纹,并将单元环半径设置为2.5mm(作为一个通用的经验法则,通常来说裂纹求解在有限元中要获得精确的结果,单元的尺寸要十倍小于要划分的网格的特征尺寸)。(a)裂纹插入位置和裂纹前缘单元环半径的设置quarter-point singular wedgecrack-frontelementstetrahedral elementsused for most ofvolumemeshpyramids providecompatibilitybetweenbricks and
14、tetrahedra(b)裂纹前缘区域单元图3 网格划分如图3(b)所示,在划分体网格时会在模板内部围绕裂纹前缘生成规则的三圈单元环。其中,最内侧是1/4 节点的楔形单元,外面两圈或多圈是二阶的六面体单元环,过度区域采用金字塔型单元,远离裂纹尖端区域的地方采用正常尺寸的单元。生成的三维裂纹网格划分如图3(c)所示。3外表面裂纹角度对应力强度因子的影响通过对裂纹的旋转来实现倾斜角的改变,选用图3 中的裂纹。本章节定义裂纹和管路表面的夹角为0,分别取9 0、7 5、6 0 4 5。由于裂纹两端附近往往是整个裂纹前缘中受力最大的,选取裂纹两端附近的应力做研究,裂纹两端的应力云图如图4 所示,其周围区
15、域呈阶梯状下降。随着倾斜角度的增加应力集中更大,但是到为6 0 之后裂纹两端的受力开始减小。如图5所示是=90的裂纹得到的前缘的K值,X轴代表裂纹前缘两端点之间归一化的值。裂38S,Mises(平均:7 5%)+4.607e+02+4.225e+02+3.843e+02+3.461e+02+3.079e+02+2.697e+02+2.315e+02+1.934e+02+1.552e+02+1.170e+02+7.878e+01+4.058e+01+2.391e+00s,Mises(平均:7 5%)+5.443e+02+4.990e+02+44.538e+02085e+3632e+02179e+
16、02+2727e+02274e+0201+1.021e+00(c)0=60图4 裂纹插入不同角度的裂纹尖端应力云图纹的K,值在两端的值最大,越到尖端越小。在液压直管中,径向直裂纹所受的剪应力很小,所对应的K,和K,可以忽略不计,所以在直裂纹中,前缘的J积分的变化趋势和K,相同。twoormore,ringsof brick elementsS,Mises(平均:7 5%)+4.968e+02+4.141e+02+4.554e+02+3.7728e+02+3.3314e+02+2.901e+02+2.4487e+02+2.074e+02+1.6660e+02+1.2247e+0336e+0102
17、+8.3+4202e+01-6.7795e-01(a)0=90(b)0=75S,Mises(平均:7 5%)+5:356e+02+4.911e+02+4.4466e+02+4.022e+02+35+3.1577e+02132e+02+2.6687e+9242e+02+2+1.+1.7+9797e+353e+077e+629e+01+01+1.806e+00(d)=45Mode IStress IntensityFactor330.0325.0A(c)三维裂纹的网格划分320.0305.0300.0F295.00.0A图5=90时裂纹前缘的K,值在直管中的直裂纹,可以近似看成单纯的I型裂纹问题。
18、但裂纹会随着插入角度的变化使得三种应力强度因子都发生变化,液压直管中的斜裂纹必须看成是三种裂纹的混合问题。根据表1 的数据,裂纹前缘K,会随着倾斜角度的增加而减小,且下降速率变快。=7 5的K,如图6(a)所示,斜裂纹从两端到内部的一小段距离先上升,然后到中点之前下降,同时随着裂纹倾斜角的增大,这种上升趋势会越来越明显,前缘的应力强度因子分布越来越像一个M形。随着倾斜角的增加,裂纹两端的K,值下降速度大于尖端处,到=6 0 时裂纹尖端处的值更大。K,和K,最大值和最小值的绝对值都随着裂纹0.2normalized distance along front0.40.60.8T.0B设计、研究、分
19、析2024年第1 期Design,Research&Analysis的倾斜角的增加而增加。所有斜裂纹前缘K,的值45外表面裂纹深度对应力强度因子的影响两侧对称分布,呈现处“两边大中间小的”趋势,尖端处的K,值大约是两端处的负2 倍,裂纹2 前缘的K,值如图6(b)所示。所有斜裂纹前尖端处K,的值为O,A端到B端都呈比较平滑的上升趋势,裂纹两侧K,值是相反数,裂纹2 的K,值如图6(c)所示。前缘J积分随倾斜角增大而减小。但由于K,和K,的值也比较大,所以J积分的变化趋势和K,稍有不同,裂纹2 的J积分如图6(d)所示。ModeIStressIntensityFactor305.0300.0AK
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