高级别管线钢半椭圆表面裂纹的弹塑性断裂分析

摘要

随着经济快速发展,高压大口径管道的应用越来越广泛,通过提高管线钢的强度级别来实现高压、大输量和大管径的管线输送已经成为当今管线建设的主要发展趋势。由于管线钢存在焊接和制造的缺陷,在使用过程中会产生各种裂纹,因此,研究带裂纹管线钢的断裂问题十分必要。
　　 断裂韧性是对含缺陷结构进行安全性评定、寿命评估和失效概率计算时所用的一个重要参数。但是进一步的研究表明,材料的表观断裂韧性与裂纹前沿约束水平有关,在进行断裂分析时需要认真考虑约束效应的影响。
　　 实际使用过程中,缺陷多出现在焊接接头处。焊接接头力学和几何不均匀性普遍存在且十分复杂,其对焊接结构缺陷评定过程有着重要影响,因此对焊接接头进行断裂分析有着重要意义。
　　 高级别X100管线钢是石油、天然气管道的新型用钢,本文主要就X100钢,分析半椭圆表面裂纹前沿的应力场及约束效应。首先,通过3D和2D有限元弹(塑)性分析,对半椭圆表面裂纹和单边切口拉伸试样裂纹前沿的应力场进行比较。采用J-A2双参数断裂力学理论分析裂纹前沿的约束效应,量化裂纹尺寸以及双向载荷对裂纹扩展驱动力J积分和约束参A2的影响。其次,建立焊接接头有限元模型,结合J-A2双参数断裂力学理论分析了失配比、焊缝宽度以及载荷水平对裂纹尖端场及约束效应的影响。最后,基于J-A2双参数断裂理论,引入新的参数Jk及Jkw,分别对均质材料及焊接接头建立双参数断裂准则,并在此基础上建立相应的失效评定曲线。同时,分别定量分析了均一材料中载荷比以及焊接接头中材料组配、裂纹几何对双参数失效评定曲线的影响。
　　 研究结果表明:三维半椭圆表面裂纹的最深点与SENT试样裂纹尖端所表现出的性质并不相同,甚至会有较大差异；载荷比对均一材料裂纹尖端应力场的约束效应有较大影响；焊接接头中,失配比对焊缝中裂纹的影响最大,而载荷及焊缝宽度造成的影响则相对较小。
　　 本文给出的计算数据及结论,对含半椭圆表面裂纹管线钢的安全评估有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 本课题研究背景

1.2 国内外相关研究的历史、现状及存在的问题

1.2.1 均匀材料裂纹尖端应力应变场的研究状况

1.2.2 焊接接头裂纹尖端场的研究状况

1.2.3 焊接接头强度失配对断裂行为影响的研究状况

1.2.4 焊接接头缺陷评定方法的研究状况

1.2.5 管线钢裂纹体的研究状况

1.3 本课题的研究内容

1.4 本课题的研究意义

第二章 裂纹尖端应力场分析

2.1 二维裂纹尖端场的HRR解

2.2 二维裂纹尖端场的J-Q解

2.3 二维裂纹尖端场的J-A2解

2.4 三维裂纹尖端场

2.4.1 线弹性分析

2.4.2 弹塑性分析

2.5 双向载荷作用下半椭圆表面裂纹的数值分析

2.5.1 有限元计算模型

2.5.2 半椭圆表面裂纹的线弹性分析及验证

2.5.3 半椭圆表面裂纹的弹塑性分析

2.6 本章小结

第三章 焊接接头的数值分析

3.1 管线钢焊接接头的分析模型

3.1.1 材料性能及焊接接头分析模型

3.1.2 有限元计算模型

3.2 管线钢焊接接头的数值分析

3.2.1 失配比对裂纹尖端场的影响分析

3.2.2 焊缝宽度及荷载对裂纹尖端场的影响分析

3.2.3 失配效应的约束参量计算

3.3 本章小结

第四章 双参数断裂准则的建立及失效评定曲线的研究

4.1 断裂准则及失效评定图的概念

4.1.1 断裂准则概念

4.1.2 失效评定图概念

4.2 双参数断裂准则的建立

4.3 焊接接头双参数断裂准则的建立

4.4 基于双参数准则的失效评定曲线

4.4.1 基于J积分准则的失效评定曲线

4.4.2 基于J-A2双参数准则的失效评定曲线

4.5 载荷比对双参数失效评定曲线的影响

4.6 焊接接头材料组配及裂纹几何对双参数失效评定曲线的影响

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 全文小结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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