管道轴向内表面椭圆裂纹尖端应力场有限元分析

摘要

随着断裂力学理论的不断成熟以及计算机技术的飞速发展，断裂力学在工程实际中得到了广泛的应用。目前，应用断裂力学理论对在役压力管道进行断裂研究，也成为学术者研究的热点之一。但是，对于一些特殊的含有裂纹缺陷的结构进行断裂研究仍然缺乏可以直接利用的断裂参数分析结果。本文以断裂力学为基础，采用有限元分析方法，借助ANSYS有限元分析软件，建立不同情况下的含有轴向内表面椭圆裂纹的管道有限元模型，进行分析计算，给出线弹性条件下不同情况(不同裂纹尺寸、不同载荷条件等)的轴向内表面椭圆裂纹管道的应力强度因子KI值；进一步换算为工程实际中易于应用的应力强度因子修正系数F，并对其进行拟合，给出修正系数F的表达式。并对裂纹尖端的应力场进行研究，对比分析结果，讨论裂纹尖端应力场的影响因素。
　　 本文工作的主要内容包括：
　　 (1)依据断裂力学的理论知识，分析研究平面裂纹尖端的应力强度因子的求解方法，应用ANSYS有限元分析软件，建立裂纹平板、裂纹管道有限元模型，验证本文所采用SHELL93单元与建模方法的准确性和可靠性，为本文以后工作打下坚实的基础。
　　 (2)建立不同情况下含有轴向内表面椭圆裂纹管道有限元模型，在内压载荷作用下，得到线弹性条件下的应力强度因子KI值，并提取有限元计算结果，绘制出应力强度因子随着不同影响因素的变化关系图，分析讨论其变化规律。
　　 (3)进一步求解应力强度因子修正系数F值，并绘制成曲线图，总结讨论其变化规律，并对曲线进行拟合得到应力强度因子修正系数F的表达式。
　　 (4)在内压载荷作用下，分析研究裂纹周围应力、应变场的分布，并提取结果绘制曲线图，讨论其变化规律。
　　 (5)在内压载荷作用下，分析研究多裂纹应力强度因子的相互影响，探讨管道壁厚、裂纹深度、裂纹间距离等对应力强度因子的影响。
　　 (6)引进材料应力-应变关系，对含有轴向内表面椭圆裂纹管道进行弹塑性有限元分析，研究裂纹尖端应力、应变场的分布。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的与意义

1.1.1 裂纹尖端应力场研究意义

1.1.2 有限元法在裂纹尖端应力场研究中的应用

1.2 课题相关内容国内外研究发展现状

1.2.1 裂纹尖端应力场研究国内外发展现状

1.2.2 有限元法计算裂纹尖端应力场国内外发展现状

1.2.3 含裂纹厚壁圆管研究国内外发展现状

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本章小结

第2章 断裂力学基本理论

2.1 裂纹扩展类型

2.2 裂纹尖端附近的应力场和位移场

2.3 应力强度因子

2.3.1 应力强度因子

2.3.2 受压圆筒的内壁椭圆形裂纹应力强度因子

2.4 塑性区修正

2.4.1 塑性区的形状和尺寸

2.4.2 应力松弛对塑性区的影响

2.4.3 应力强度因子的塑性修正方法

2.5 本章小结

第3章 含裂纹模型建立方法及计算结果验证

3.1 有限元法及其分析软件ANSYS简介

3.2 单元选取

3.2.1 单元简介

3.2.2 裂纹尖端处的SOLID95与SHELL93单元

3.3 含二维穿透裂纹模型建立方法和计算结果验证

3.3.1 含二维穿透裂纹平板有限元模型模拟

3.3.2 应力强度因子结果验证

3.4 含三维表面轴向椭圆裂纹圆筒有限元模型模拟

3.4.1 含三维表面轴向裂纹圆筒有限元模型

3.4.2 含三维表面轴向裂纹圆筒有限元模型建模方法验证

3.4.3 有限元网格划分及单元密度确定

3.5 小结

第4章 含轴向内表面椭圆裂纹光滑管道线弹性分析

4.1 含轴向内表面椭圆裂纹管道模型

4.1.1 几何模型

4.1.2 有限元模型的建立

4.1.3 载荷及边界条件选取

4.2 应力强度因子KI求解

4.2.1 含轴向内表面中心椭圆裂纹管道应力强度因子KI

4.2.2 应力强度因子的影响因素

4.2.3 形状因子F的计算

4.2.4 形状因子F的拟合计算式

4.3 线弹性裂纹尖端应力场

4.3.1 裂纹尖端的应力状态

4.3.2 管道壁厚、裂纹长度和裂纹深度对裂纹尖端应力分布的影响

4.4 小结

第5章 三维多裂纹应力强度因子的有限元分析

5.1 两条轴向半椭圆裂纹的相互影响

5.1.1 几何模型

5.1.2 有限元模型的建立

5.1.3 载荷及边界条件选取

5.1.4 应力强度因子的计算

5.1.5 管道壁厚、裂纹深度对两条裂纹应力强度因子的影响

5.2 三条轴向半椭圆裂纹的相互影响

5.3 小结

第6章 含轴向内表面椭圆裂纹管道弹塑性分析

6.1 含二维穿透裂纹板弹塑性裂纹尖端的应力状态

6.1.1 材料特性

6.1.2 裂纹尖端应力计算结果

6.1.3 不同载荷条件下的应力分布

6.1.4 不同裂纹长度下的应力分布

6.2 含轴向内表面椭圆裂纹管道弹塑性裂纹尖端的应力状态

6.2.1 不同载荷条件下的应力分布

6.2.2 不同裂纹深度下的应力分布

6.2.3 裂纹尖端的应力分布曲线

6.3 多裂纹管道裂纹尖端应力场的相互影响

6.4 小结

第7章 结论

参考文献

致谢