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厚壁弯管内表面半椭圆裂纹有限元分析与研究

作　者: 宋杰
导　师: 王作文
学　校: 西南石油大学
专　业: 结构工程
关键词: 厚壁弯管半椭圆裂纹应力强度因子极限荷载有限元分析
分类号: O346.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

厚壁弯管是工业压力管道元件中的重要组成部分。长期以来,弯管生产加工中存在的工艺缺陷问题一直未能完美解决,这使得长期工作在不利荷载工况下的含缺陷弯管开裂的可能性比无缺陷弯管更大。鉴于弯管在管路元件中扮演的重要角色以及含裂纹结构安全评定的实际需要,本文采用通用CAE软件ANSYS对含内表面半椭圆裂纹的厚壁弯管进行了深入的分析和研究,并得出了有益的成果：1.在实验多种三维裂纹建模方法的基础上,提出了建立含内表面半椭圆裂纹这种裂纹形式的厚壁弯管有限元模型较便捷的方法,并编制了相应的命令流文件,在一定范围内改变参数设置可以求得需要的计算结果。2.在内压和弯矩两种荷载作用下,分别分析了含半椭圆裂纹厚壁弯管的Mises应力分布情况,发现其与光滑弯管分布情况明显不同。同时求得了线弹性条件下的应力强度因子K1,并研究了其随主要影响因素c/a(裂纹形状比)、c/t(裂纹深度比)、Ro/Ri(径比)、K(弯曲半径比)、P(内压)、M(弯矩)的变化规律。3.在内压荷载作用下研究了含半椭圆裂纹厚壁弯管的塑性区发展规律及失效模式。发现在初始荷载作用下,裂纹自由面附近区域首先屈服,但不会形成塑性铰,随着内压继续增大,应力应变发生重分布,同时塑性区沿着内表面轴向发展较快,沿着壁厚方向扩展较慢,当内压达到极限状态时,弯管内表面完全屈服,塑性区穿透内侧壁厚导致弯管失效,失效模式为整体破坏。4.在内压荷载作用下计算了含半椭圆裂纹厚壁弯管的塑性极限荷载并研究了其随影响参数的变化规律。得到了弯曲半径比(k)越大、径比(Ro/Ri,)越大、裂纹深度(c/t)越浅、裂纹形状比(c/a)越大时极限荷载PL越大的结论。同时分析了与弯管相连直管段长度的无量纲参数(L/D)对极限荷载的影响,发现与以上四个参数相比,L/D参数的影响可以忽略不计。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-11
  1.1 概述  8
  1.2 研究概况  8-9
  1.3 本文主要研究的内容  9-11
第2章断裂理论基础  11-15
  2.1 应力强度因子  11-12
  2.2 积分  12-13
  2.3 含缺陷管道的失效评定技术  13-15
第3章塑性极限理论基础  15-18
  3.1 极限分析中的基本理论  15
  3.2 屈服条件  15-16
    3.2.1 Tresca屈服条件  15-16
    3.2.2 Mises屈服条件  16
  3.3 塑性流动理论和形变理论  16-18
    3.3.1 塑性流动理论  16-17
    3.3.2 塑性变形理论  17
    3.3.3 增量理论和全量理论的关系  17
    3.3.4 简单加载与复杂加载  17-18
第4章含裂纹结构的有限元建模基础  18-25
  4.1 有限元软件ANSYS及APDL语言简介  18
  4.2 含裂纹结构的有限元建模基础  18-21
    4.2.1 裂纹区域的模拟  18-19
    4.2.2 选取单元介绍  19-21
  4.3 建模方法验证  21-24
    4.3.1 几何模型及相关参数  21-22
    4.3.2 边界条件及加载情况  22
    4.3.3 实体建模方法验证  22-23
    4.3.4 有限元网格划分及单元密度确定  23-24
  4.4 小结  24-25
第5章含半椭圆裂纹厚壁弯管的弹性有限元分析  25-44
  5.1 概述  25-26
  5.2 含半椭圆裂纹厚壁弯管的计算模型  26-29
    5.2.1 几何模型及相关参数  26
    5.2.2 有限元模型  26-28
    5.2.3 边界条件及加载情况  28-29
    5.2.4 最经济单元数试算确定  29
  5.3 内压作用下的弹性有限元分析  29-36
    5.3.1 含半椭圆裂纹厚壁弯管的应力分布  29-30
    5.3.2 应力强度因子K_1的求解  30-33
    5.3.3 应力强度因子的影响因素及变化规律  33-36
  5.4 弯矩作用下的弹性有限元分析  36-43
    5.4.1 ANSYS中弯矩荷载的施加方法  36
    5.4.2 含半椭圆裂纹厚壁弯管的应力分布  36-38
    5.4.3 应力强度因子K_1的求解  38-40
    5.4.4 应力强度因子的影响因素及变化规律  40-43
  5.5 小结  43-44
第6章含半椭圆裂纹厚壁弯管的塑性有限元分析  44-56
  6.1 概述  44
  6.2 有限元材料非线性分析基础  44-46
    6.2.1 塑性理论简介  44-45
    6.2.2 有限元求解控制  45
    6.2.3 荷载步定义及求解  45-46
  6.3 极限荷载的确定方法及结果验证  46-48
    6.3.1 内压作用下弯管塑性极限荷载解析解  46
    6.3.2 有限元分析中极限荷载的确定方法  46-47
    6.3.3 光滑弯管的极限荷载验证  47-48
  6.4 含半椭圆裂纹厚壁弯管极限荷载的计算与分析  48-53
    6.4.1 单元选取及边界条件设置  48
    6.4.2 最经济单元数试算确定  48
    6.4.3 极限荷载计算结果  48-49
    6.4.4 极限荷载随影响因素变化规律  49-52
    6.4.5 带不同长度直管段弯管的极限荷载  52-53
  6.5 塑性发展过程与失效模式分析  53-55
  6.6 小结  55-56
第7章结论与建议  56-58
  7.1 本文主要结论  56-57
  7.2 展望和建议  57-58
致谢  58-59
参考文献  59-62
附录  62-71
  附录1 含半椭圆裂纹直管有限元建模部分相关命令流  62-68
  附录2 含半椭圆裂纹弯管有限元建模部分相关命令流  68-71
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  71
  一、发表论文  71
  二、科研项目及学术活动  71
  三、"三助"活动  71

厚壁弯管内表面半椭圆裂纹有限元分析与研究

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