含缺陷管道力学行为分析

论文摘要

管道运输一直是石油运输的重要方式。受内在和外来诸多因素的影响,管道上可能存在各种裂纹型缺陷,而管道破坏失效的主要原因之一就是裂纹,因此对含裂纹管道进行力学行为分析,对于管线的运行、维修、更换决策等具有重要的意义。本文采用大型有限元分析软件ANSYS,对薄壁表面裂纹管道模型的建立、断裂参量的分析、塑性极限载荷分析计算以及管道失效行为进行探讨与研究,具体工作如下：(1)采用实体建模法建立轴向表面裂纹及环向表面裂纹管道分析模型,包括裂纹缺陷模型以及载荷模型,尝试性地采用参数化的语言编制命令流,在适当范围内改变参数设置达到准确计算所需结果的目的。(2)探讨脆性断裂和弹塑性断裂失效判据及其适用条件。对于脆性断裂的判据主要有能量平衡判断理论和应力强度因子断裂理论；对于弹塑性断裂力学的判据主要有J积分准则,是目前运用最多、行之有效的弹塑性断裂分析方法。(3)基于断裂力学理论基础,应用有限元分析方法计算分析薄壁管道表面裂纹应力强度因子K1,分析影响应力强度因子的主要因素,根据现有的应力强度因子手册得到的应力强度因子简化公式,计算裂纹最深点与表面点的应力强度因子形状系数,使薄壁管道应力强度因子求解系统化。(4)分析EPRI工程方法欠缺点,将裂纹角作为变量引入全塑性J积分表达式,弥补了全塑性解数据库分析的不足；基于等效原场应力法,结合求得的应力强度因子以及现有的全塑性解数据库求解全塑性J积分,方法简单、精确,易于工程实际应用。(5)基于塑性极限理论,归纳塑性极限分析常用的方法、工程上确定塑性极限载荷的准则以及确定塑性极限分析的有限元方法。(6)基于塑性极限分析理论,采用非线性有限元极限分析新方法—停机点法,求解薄壁裂纹管道塑性极限载荷,分析影响极限载荷的主要因素,拟合极限载荷表达式。(7)结合断裂参量以及塑性极限载荷的求解分析,依据失效评估图技术,对含裂纹管道失效行为进行评估。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 断裂力学研究概况
• 1.2.2 塑性极限理论研究概况
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 断裂力学理论基础
• 2.1 脆性断裂分析准则
• 2.1.1 能量释放率准则
• 2.1.2 应力强度因子准则
• 2.2 弹塑性断裂理论分析
• 2.2.1 COD理论
• 2.2.2 J积分理论
• 2.3 裂纹尖端应力一应变场概况
• 2.4 本章小结
• 第三章 塑性极限分析理论基础
• 3.1 塑性极限分析基本理论
• 3.1.1 塑性极限分析基本概念
• 3.1.2 塑性极限分析方法
• 3.2 塑性极限载荷确定准则
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于断裂理论的管道表面裂纹断裂参量分析
• 4.1 管道裂纹基本类型
• 4.1.1 按裂纹扩展方式分类
• 4.1.2 按裂纹位置分类
• 4.2 表面裂纹管道分析模型
• 4.2.1 几何模型与相关参数
• 4.2.2 有限元模型建立
• 4.2.3 边界条件及加载
• 4.3 应力强度因子K计算分析
• 4.3.1 应力强度因子有限元分析法
• 4.3.2 应力强度因子计算分析
• 4.4 J积分计算分析
• 4.4.1 J积分有限元分析法
• e的计算'>4.4.2 线弹性J积分J_e的计算
• p的计算'>4.4.3 全塑性J积分J_p的计算
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于塑性理论的管道表面裂纹极限载荷分析
• 5.1 含裂纹管道塑性极限载荷计算准则
• 5.1.1 流变应力准则
• 5.1.2 净截面应力准则
• 5.1.3 净截面跨塌准则
• 5.2 含裂纹管道极限载荷确定方法
• 5.3 有限元分析前处理程序设计
• 5.4 轴向表面裂纹极限载荷分析
• 5.4.1 内压载荷作用分析
• 5.4.2 弯矩载荷作用分析
• 5.4.3 联合载荷作用分析
• 5.5 环向表面裂纹极限载荷分析
• 5.5.1 内压载荷作用分析
• 5.5.2 弯矩载荷作用分析
• 5.5.3 联合载荷作用分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 缺陷管道分析实例
• 6.1 概述
• 6.2 失效评估图基本思想
• 6.3 缺陷管道评估实例
• 6.3.1 裂纹管道常规评定简介
• 6.3.2 评定实例
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 详细摘要