[doc格式] 内压下轴向穿透裂纹等强度异径三通K1的计算

[doc 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 ] 内压下轴向穿透裂纹等强度异径三通K1的计算 内压下轴向穿透裂纹等强度异径三通K1的 计算 ? 6?中国特种设备安全第24卷第11期 摘要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,对含轴向穿透裂 纹等强度异径三通进行了研究.选择单~SOLID95和单~SOLID45建 立了含轴向穿透裂纹等强度异径三通的 有限元模型,并以此计算了内压载荷下各几何尺寸和裂纹尺寸三通 主管和支管的应力强度因子KI,进一步换 算成形状因子F并拟合成公式.公式的拟合误差在10%以内,可以满 足工程安全评定的要求. 关键词异径三通穿透裂纹应力强度因子K1形状因子F安全评定 AbstractBasedonfracturemechanicsthereduceteewithaxialpenetratedcrackhasbeenstudiedby adoptingthefiniteelementanalysisandANSYS.ThefiniteelementmodelhasbeenbuiltwithelementSClL— ID95andelementSOLID45.ThestressintensityfactorsofRunPipeandbranchpipeindifferentgeometrydi— mensionsandcrackdimensionshavebeencalculated.Basedonthestressinte nsityfactorresults,theshapefac- torshavebeencalculatedandtheformulashavebeengivenbycurvefitting.Th eresultcanbeusedtoengineer- ingsafetyevaluation. KeywordsReduceteePenetratedCrackStressIntensityFactorKIShapeFact orSafeevaluation 在压力管道检验中发现由于制造过程中普 遍使用焊接工艺,以及使用过程中的苛刻工作环 境,在役压力管道不可避免地存在制造缺陷或在使 用中萌生缺陷.为了使用的安全,往往需要将含缺 陷压力管道作返修或退役处理,但一味强调安全. 也会造成经济损失.并且工程实际中,压力管道停 止使用比较困难,往往希望缺陷的处理能在下一个 检验周期,以节约经济成本.上世纪70年代初,一些 工业技术先进的国家就开始把断裂力学的研究成 果应用于工程实际.发展形成了”合乎使用”为原则 的缺陷评定方法.我国也于上世纪70年代开展了压 力管道的缺陷评定研究工作[1-2],但缺陷评定的断裂 参数仍然缺乏.本文基于ANSYS对含轴向穿透裂纹 三通进行了研究,并给出了安全评定的断裂参数. 补充了我国断裂评定参数数据 1几何模型及载荷条件 1.1几何模型 根据三通的应力分析可知,三通的肩部和腹部 均为危险区域『3_.本文对EPRIf4J所归纳的工程中常出 现的三通肩部轴向穿透裂纹进行了分析研究.含轴 向穿透裂纹三通的示意图如图1所示. 根据工程中常见的焊接三通,本文计算的含 轴向穿透裂纹异径i通的几何尺寸见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf l,为了方 便后续工作的无因次化.tl按表1中所给式子计算 得到. 1.2载荷条件 压力管道中材料为碳钢,且压力在0.1MPa至 4MPa之间的管道居多.因此本文选择了材料为碳钢 (2.1xl0MPa,/z=0.3),压力为1.6MPa作为有限元 计算的载荷条件. .一?.. 第24卷第11期中国特种设备安全?一7? L—————…———————————— 图l含轴向穿透裂纹三通示意图 表1肩部含轴向穿透裂纹三通的几何尺寸mm DoII/902lLlltl IlI笙:!:l 2有限元模型的建立 考虑到裂纹区域的单元分布和载荷边界条 (a)1/2含轴向穿透裂纹三通有限元模型 裂纹尖端 裂纹尖端附近放大图 件的对称性,本文选用了如图2(a)所示的1/2三 通有限元模型.裂纹尖端用20节点SOLID95的棱 柱退化形式模拟奇异性,裂纹尖端和非裂纹区用 8节点SOLID45单元衔接.有限元模型的单元分布 具体如下:如图2(b)所示,厚度方向建立三层单 元:裂纹区域主管轴向和支管轴向分别分布20个 单元,环向分布3个单元;非裂纹外围扩展区轴向 分布15个单元;1/2有限元模型,主管环向共分布 43个单元,由裂纹区向外的环向各部分分别分布 l6个单元,6个单元,l8个单元;支管环向由裂纹 区向外分别分布3个单元,l6个单元,19个单元, 一 共38个单元:1/2的三通有限元模型一共48个 SOLID95退化奇异单元.12468个SOLID45实体单 元.33283个节点. (b)裂纹区及主支管连接处网格划分 裂纹面 185”单元 兀 图2三通有限元模型 3内压作用下应力强度因子KI的计算 3.1应力强度因子的影响因素a/Do和Do/t 内压为1.6MPa时,不同尺寸的模型下(Df2= Do1/tl=32,40,51,71,119;a/Dol,a/Do2=0.15,0.2, 0.25,O.3,0.35,0.4)的应力强度因子KI值和a/Do,Dolt 的关系如图3至图6所示. 由图3到图6可见,主管和支管的值的大小基 本相近,且变化趋势相同.当壁厚为某一定值时, 裂纹区域放大图 随着裂纹长度的增加而增加;当裂纹长度为某一定 值时,值随着壁厚的减小而增加. 3.2形状因子F 在工程实际中,对每个含裂纹构件用有限元方 法计算裂纹尖端的应力强度因子是不可能的.通过 以上有限元计算可知应力强度因子KI与加载大小和 结构尺寸直接相关,为了去除载荷与结构因素,可通 过上述解获得裂纹的形状因子F0在工程实际中, ? 8?中国特种设备安全第24卷第11期 2O4O6O8OlOO120 Do2/t2 图3主管KI和DIt的关系 二A--DO2/l2: = 7l 51 一 .一 一..一 一 T—DD,,=71. 一一一一一T 一一 一:.-一Af二 ;三;三;三:二:二: 6OO 500 400 E 苦7300 200 100 01502OO2503OO35O.4O a/Do2 图4主管与aiD的关系 204O6O8O1OO120 DolItl 图5支管与D/t的关系 0l5020025O3OO350.40 a/DOl 冈6支管与aiD的关系 利用相应的公式就能很方便地得到不同载荷和裂纹 结构的应力强度因子. 在内压作用下,本文二三通裂纹模型主管和支管 的应力强度因子的计算式均可表达为式(1)E51. KI=?(叮『?a)?F(1) 式中:P?I)/(2?f); r裂纹尺寸: 内压: D-均半径: 卜一壁厚: 形状因子. 采用式(1),将本文3.1中计算得到的K值以及 相关参数代人,反算得到形状因子图7到图l0给 出了形状因子蹄D/f,aiD相对应的变化关系. 比较图7到图10发现,主管和支管的形状因子大 小相近,变化趋势相同.当壁厚为一定值时,形状因 子躏着裂纹长度的增加而增大:当裂纹长度为一 定值时,形状因子随着管道壁厚的变薄而增大.形 状因子随壁厚的变薄增大明显.随裂纹长度的增加 2O4O6O8OlOOl2O Do2/t2 图7主管聊D/f的关系 ? 系 如关 的 DD 管 如主 图 OO0OOO00?如?如加m 第24卷第11期中国特种设备安全?9? 12 l1 1O 9 8 7 6 5 DoI/tl 图9支管F~D/t的关系 图10支管网a/D的关系 而增加的趋势缓慢. 3.3形状因子F的拟合计算式 为了方便工程使用,分别将计算值拟合,得到 内压下主管和支管的瑚计算式: 主管F=(Do2/f2)(a/D02)?(2) 支管(D0/t)惝(a/Do)嘲(3) 由于本文计算范围的限制,本文拟合的式(2) 和式(3)适用于32?Do/t?119,0.15?a/D0?0.4的 情况. 以上形状因子拟合式和有限元解拟合误差 不超过10%.可以满足工程应用的需要. 3.4计算公式精度的验证 为了验证本文的计算式(2)和式(3)在适用范 围的计算精度,本文选择P=1.6MPa,DoJh=Do/tl= 60,a/Do1,a/Do2=0.16,0.21,0.26,0.31,0.36,0.40 时的2组模型进行有限元计算,并与由拟合公式计 算得到的进行比较,比较结果见表2和表3. 计算结果表明,拟合公式的K值与有限元计算 表2主管有限元计算的值与拟合公式计算 的KI值的比较结果 拟合公式计算的值/有限元计算的值/ a/相对误差/%(1o6N m)(106Nm) O.16141.4137.23.1 O.21164.4l61.O2.1 O.26l85.1l81.61.9 0-3l204.Ol99.82.O 0-36221.6216.42.4 O-4234.9228.742.7 表3支管有限元计算的值与拟合公式 计算的值的比较结果 拟合公式计算的值/有限元计算的值/a/D l相对误差/%(10 m)(1ONm) 0.16l32.8134.81-4 O_21154.4157.82.1 O-26l73.9177.82.2 0_31l91.7195.82.1 O.36208.4212.51.9 0.4220.9225.11.8 的KI值相对误差在3%以内,本文给出的公式满足工 程精度要求,方便工程安全评定. 4结束语 通过本文的有限元计算并转换得到的形状因子 计算公式,可以方便地计算不同含裂纹构件,不 同载荷大小的应力强度因子,补充了我国三通断裂 参数数据库,极大地方便了工程安全评定. 参考文献 1李培宁,我国压力容器面型缺陷安全评估技术的进展,压 力容器,1994 2宋继红,我国特种设备安全规范体系现状与发展,劳动保 护.2005 3杨宁祥,李惠荣,异径焊制三通应力的有限元分析,化工 装备技术.2006 4EPRIandNovetechCorporation,DuctileFractureHandbook, Vo1.3,ResearchReportCenter,PaloAlto,Califonia,1991, 1993 5【美】V.库默,M.D.杰曼,C.F.施着,周洪范等译,弹塑性断裂 分析工程方法,北京:国防工业出版社,1985 (收稿日期2008—04—28)