厚壁管道均布径向多裂纹相互作用的有限元研究

论文摘要

目前含裂纹结构的安全性评价大多基于单一裂纹理论进行且无法考虑多裂纹存在时裂纹间的相互影响,在实际工程应用中产生了越来越多的问题；而实际在役设备中裂纹多以裂纹群的形式存在并且裂纹间的相互作用对含裂纹结构安全性有重要的影响,所以多裂纹问题受到了越来越多研究者的关注。本文以断裂力学理论为基础,通过对平板多裂纹尖端应力强度因子影响因素的分析,提出均布径向多裂纹存在时裂纹尖端应力强度因子的抽象表达式及多裂纹间相互作用影响因子；运用数值方法中的有限元法,利用大型通用有限元软件ANSYS建立不同情况下含均布径向多裂纹厚壁管道的有限元模型进行计算；通过计算得到的线弹性条件下裂纹尖端应力强度因子,对径向双裂纹及多裂纹尖端应力强度因子结相互作用影响因子的影响因素及规律进行了研究。本文的主要研究内容包括：（1）依据断裂力学基本理论及有限元法,分析二维含裂纹结构裂纹尖端应力强度因子的求解方法；运用ANSYS软件建立含径向单裂纹厚壁管道有限元模型,通过计算得到的裂纹尖端应力强度因子与理论值比较,验证ANSYS在含裂纹结构建模及裂纹尖端应力强度因子计算中的正确性。（2）通过平板多裂纹尖端应力强度因子影响因素的分析,提出含影响因素的均布多裂纹尖端应力强度因子抽象表达式、多裂纹间相互作用影响因子特征量。（3）在线弹性条件下利用ANSYS软件对受内压含径向双裂纹厚壁管道进行大量研究,计算双裂纹尖端应力强度因子值；通过计算结果分析了裂纹夹角、裂纹深度比及管道外径对双裂纹尖端应力强度因子及双裂纹间相互作用影响因子的影响,应力强度因子影响因素分析结果表明本文提出的多裂纹尖端应力强度因子表达式中的影响因素具有一定的合理性且不同因素对双裂纹尖端应力强度因子的影响不同；裂纹间相互作用影响因子影响因素分析表明裂纹间夹角大约为110。是张开和闭合效应的转折点,且在不同夹角时裂纹深度比及管道外径对相互作用影响因子的影响不同。（4）在线弹性条件下利用ANSYS软件对受内压含径向多裂纹厚壁管道进行研究,计算不同情况下均布多裂纹尖端应力强度因子值；通过计算结果分析了裂纹夹角、裂纹深度比及裂纹数目对多裂纹尖端应力强度因子及双裂纹间相互作用影响因子的影响,应力强度因子影响因素分析结果表明裂纹数目、裂纹深度比及管道外径对多裂纹尖端应力强度因子影响不同；相互作用影响因子分析表明多裂纹数目N=3为张开和闭合效应的转折点,且在不同裂纹数目时相互作用影响因子随裂纹深度比及管道外径的变化规律不同,进一步验证了双裂纹分析中对作用效应范围及影响规律的结论。（5）利用前面的计算结果分析两种影响因素组合对多裂纹尖端应力强度因子及双裂纹间相互作用影响因子的影响及规律,应力强度因子和相互作用影响因子综合影响因素分析表明在两种影响因素同时变化时不同因素对应力强度因子影响强度不同且有可能超过其他因素的影响。（6）利用含均布径向多裂纹管道有限元模型分析了含均布径向多裂纹最大周向应力随裂纹数目变化规律并与以R1+a为内径、相同外径光滑管道最大周向应力进行了对比,分析结果表明裂纹数目的增加只是减缓了裂纹的扩展,并不表明管道强度的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 国内外研究现状及发展情况
• 1.2.1 含裂纹管道国内外研究现状及发展情况
• 1.2.2 多裂纹研究的国内外发展现状
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 线弹性断裂力学基本理论
• 2.1 线弹性断裂力学与应力强度因子
• 2.1.1 线弹性断裂力学概述
• 2.1.2 裂纹基本分类及尖端应力和位移场
• 2.1.3 应力强度因子
• 2.2 应力强度因子确定方法
• 2.3 应力强度因子准则
• 2.4 小结
• 第3章 含裂纹有限元模型建立及计算验证
• 3.1 有限元法概述及ANSYS软件简介
• 3.1.1 有限元法概述
• 3.1.2 ANSYS软件简介
• 3.2 有限元法求解应力强度因子
• 3.2.1 单元的对比与选取
• 3.2.2 应力强度因子的计算过程
• 3.3 二维裂纹有限元模型建立和计算结果验证
• 3.3.1 含二维径向裂纹管道有限元模拟
• 3.3.2 应力强度因子结果验证
• 3.4 小结
• 第4章 径向双裂纹相互作用有限元分析
• 4.1 二维径向双裂纹有限元分析
• 4.1.1 径向双裂纹几何模型
• 4.1.2 径向双裂纹有限元模型的建立
• 4.1.3 载荷及边界条件选取
• 4.2 径向双裂纹应力强度因子影响因素分析
• 4.2.1 径向双裂纹应力强度因子求解
• 4.2.2 应力强度因子影响因素分析
• 4.3 径向双裂纹相互作用影响因素分析
• 4.3.1 径向裂纹间相互作用特征量
• 4.3.2 径向双裂纹相互作用影响因素分析
• 4.4 小结
• 第5章 径向多裂纹相互作用有限元分析
• 5.1 二维径向多裂纹有限元分析
• 5.1.1 径向多裂纹几何模型
• 5.1.2 径向多裂纹有限元模型的建立
• 5.1.3 载荷及边界条件选取
• 5.1.4 径向多裂纹有限元求解云图
• 5.2 应力强度因子求解
• 5.2.1 径向多裂纹应力强度因子求解
• 5.3 径向多裂纹尖端应力强度因子影响因素分析
• 5.3.1 径向多裂纹应力强度因子单因素影响分析
• 5.3.2 径向多裂纹应力强度因子多因素综合影响分析
• 5.4 径向多裂纹相互作用影响因素分析
• 5.4.1 径向多裂纹相互作用影响因子单因素影响分析
• 5.4.2 径向多裂纹间相互作用影响因子多因素综合影响分析
• 5.5 小结
• 第6章 含均布径向多裂纹管道应力分析
• 6.1 受内压光滑管道应力分布
• 6.2 含均布径向多裂纹管道应力变化分析
• 6.2.1 含均布径向多裂纹管道最大周向应力云图
• 6.2.2 含均布径向多裂纹管道应力计算
• 6.3 含均布径向多裂纹管道应力变化分析
• 6.3.1 B-Spline曲线拟合理论
• 6.3.2 含均布径向多裂纹管道最大应力变化分析
• 6.4 小结
• 第7章 结论和展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文