大型储罐角焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子计算及安全评价

摘要

本文是根据参加中国特检院“大型储罐安全评价技术研究”工作内容,针对大型储罐典型失效模式之一的角焊缝开裂,研究了大型储罐角焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子的建模计算方法和安全评价方法。为得到储罐角焊缝焊趾部位精确的应力场,建立了2D罐底板-地基接触模型和3DLINK10双线性弹性约束模型等4种有限元模型进行对比计算,在此基础上提出3D简化约束模型用于变参数裂纹的应力强度因子计算。计算采用1/4节点奇异单元法建立平板表面半椭圆裂纹模型。提出一种混合网格扩展法对裂纹奇异单元模型进行扩展并详细地介绍了该方法的实现过程。和逐节点建模方法相比该方法降低了建模的工作量,而且可以实现和复杂整体模型的连接。通过和经验公式计算结果对比验证了有限元模型的正确性。
　　本研究采用混合网格扩展法建立储罐角焊缝焊趾表面半椭圆裂纹模型。考虑液压和罐体自重,采用3D简化约束模型计算得到储罐应力分布进而计算角焊缝焊趾裂纹的应力强度因子。重点讨论了a/c,a/t,Lw/t和θ对角焊缝焊趾裂纹应力强度因子的影响。计算结果表明储罐角焊缝焊趾裂纹应力强度因子值随裂纹前沿节点角度呈U型分布,在表面点取得最大。随着a/c和a/t的增加,表面点的应力强度因子值增大而最深点值呈下降趋势。这与储罐角焊缝焊趾位置径向应力沿厚度方向的变化规律相符。和纯拉伸状态平板T型连接焊趾裂纹应力强度因子计算结果比较,储罐角焊缝焊趾表面裂纹在表面点和最深点应力强度因子值的变化梯度相差比较大。针对一大型储罐角焊缝焊趾裂纹的检出实例,采用GB19624《在役含缺陷压力容器安全评定》通用失效评定图 FAD方法进行安全评价,判定裂纹缺陷是否启裂。本文提出的储罐角焊缝裂纹有限元建模方法计算得到的应力强度因子数据可用于通用FAD法中应力强度因子比 Kr的计算,是有限元法计算复杂结构表面应力强度因子应用于工程实际裂纹安全评价的实践。

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符号说明

绪论

1.1 引言

1.2 工程背景

1.3 研究现状

1.4 研究内容和技术路线

第2章 断裂力学相关理论

2.1断裂理论发展回顾

2.2裂纹基本型

2.3应力强度因子

2.4裂纹尖端张开位移CTOD

2.5 J积分

2.6 断裂判据

第3章 T型连接接头焊趾表面裂纹应力强度因子经验计算公式

3.1 平板表面裂纹计算方法

3.2 焊趾表面裂纹计算方法

第4章 储罐静强度有限元分析

4.1储罐应力分析方法概述

4.2储罐应力有限元分析

4.3结果分析

4.4简化约束模型讨论

4.5 本章小结

第5章 角焊缝焊趾裂纹应力强度因子有限元计算

5.1 应力强度因子计算有限元法

5.2奇异单元

5.3裂纹有限元模型建立方法

5.4平板表面裂纹模型计算验证

5.5平板 T型连接角焊缝焊趾表面裂纹建立

5.6储罐角焊缝焊趾表面裂纹建模

5.7 本章小结

第6章 储罐角焊缝焊趾裂纹安全评价

6.1 失效评定图

6.2 裂纹缺陷安全评价程序

6.3储罐角焊缝焊趾裂纹安全评价

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢