張慧云

（山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 太原 030009）

隨著現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展，大型鋼管結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)并廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、兵器、機械、化工、土木、能源、交通和城市公用工程等行業(yè)和部門中。伴隨著其廣泛應(yīng)用，鋼管的可靠性和安全性引起人們越來越多的關(guān)注，斷裂和缺陷問題廣泛存在于眾多領(lǐng)域。2000年，JZ20-2中南平臺井排空管線疲勞斷裂導(dǎo)致天然氣泄漏；2001年，川南宜賓地區(qū)一240m跨度的中承式拱橋一小南門大橋北端第一對短吊桿斷裂，約10 m長行車道板連同一輛公交大巴和一輛中巴先后墜入江中。分析這些事故的原因，發(fā)現(xiàn)斷裂是由于裂紋的不穩(wěn)定擴展引起的，而且工程構(gòu)件常見的裂紋有很大一部分并不致使工程構(gòu)件直接報廢，進行合理修補之后仍舊有很強使用價值。從節(jié)能、經(jīng)濟角度考慮，對有缺陷的構(gòu)件進行維修非常重要。

1 含表面裂紋3-D管道應(yīng)力有限元分析

模型管道尺寸：管長4 m，外徑0.35 m，管壁厚2.2 cm。含表面裂紋管道模型圖見圖1。

1.1 有限元模型建立

網(wǎng)格劃分：模型整體采用自由網(wǎng)格劃分，采用單元SOLID95單元。SOLID95單元是由20個節(jié)點定義的體單元。模型材料參數(shù)定義命令流如下[1-2]：

ET,1,SOLID95

MP， EX，， 2E11

MP， NUXY，， 0.33

網(wǎng)格劃分命令流如下：

MSHAPE，1,3D

MSHKEY，0

SMRTSIZE，4

VMESH，3

劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。

圖1 含表面裂紋管道模型圖

圖2 含表面裂紋管道模型網(wǎng)格劃分裂紋局部圖

1.2 ANSYS計算結(jié)果輸出與整理

加載方案：將模型管道一端界面完全約束，另一截面加均布拉力，大小為50 MPa。

求解結(jié)果，如圖3所示。從圖3中可以看出表面裂紋附近應(yīng)力顯著增高。

2 含貫穿裂紋3-D管道應(yīng)力及修補效果有限元分析

2.1 含貫穿裂紋3-D管道應(yīng)力有限元分析

2.1.1 有限元模型建立

模型建立方法為：畫出裂紋的上下表面，在這個模型中，裂紋的上下表面是重合的。尺寸與含表面裂紋模型相同，如圖4所示。

圖3 含表面裂紋管道模型裂尖Von Mises應(yīng)力

圖4 含貫穿裂紋管道模型圖

網(wǎng)格劃分：模型整體依舊采用自由網(wǎng)格劃分，采用SOLID95單元。材料參數(shù)定義命令流如下[3]：

ET， 1， SOLID95

MP， EX，， 2E11

MP， NUXY，， 0.33

網(wǎng)格劃分命令流如下：

MSHAPE， 1，3D

MSHKEY，0

VMESH，ALL

劃分網(wǎng)格后的模型如圖5所示。

2.1.2 ANSYS計算結(jié)果輸出與整理

加載方案：將模型管道一端截面完全約束，另一截面加均布拉力，大小為50 MPa。

求解結(jié)果從圖6可以看出[4]，貫穿裂紋附加應(yīng)力顯著增加。

圖5 含貫穿裂紋管道模型網(wǎng)格劃分圖

圖6 含貫穿裂紋管道模型裂尖Von Mises應(yīng)力

2.2 模型裂紋貼片修補

為了延長管狀構(gòu)件使用壽命，必須對含缺陷構(gòu)件進行更換或者修理。傳統(tǒng)的修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)疲勞裂紋的方法通常是裂紋打磨或水下補焊，裂紋打磨只適合于較淺的表面裂紋，而水下補焊會對原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷和附加應(yīng)力。補片膠接修理技術(shù)是一項經(jīng)濟而有效的結(jié)構(gòu)延壽方法。國內(nèi)外在膠接修理技術(shù)方面已取得很大成功，并繼續(xù)開展相關(guān)技術(shù)研究及其推廣應(yīng)用[5]。

近年來，隨著計算機技術(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析方法在工程設(shè)計和分析中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，它已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程計算問題的有效途徑，采用數(shù)值模擬、利用有限元軟件仿真來驗證貼片的修復(fù)效果是一種可行而又高效的方法。本文建立了裂紋修補問題的三維有限元模型，通過對模型的靜力分析、計算、對比評估修補效果。

2.2.1 管道裂紋修補方案有限元模型建立

貼片修補法，在修補失效之前補片和構(gòu)件是完全黏結(jié)的。針對這一情況，考慮補片與構(gòu)件黏結(jié)良好的情況，即完全黏結(jié)、沒有相對滑動。所以這里把構(gòu)件貼片模型簡化，忽略補片與構(gòu)件之間膠層。

補片厚度為0.1 cm，修補后模型如圖7。

使用主要命令：VGLUE

網(wǎng)格劃分及材料設(shè)置與模型修補與之前相同，如圖8所示。

圖7 含貫穿裂紋管道模型貼片修補模型

圖8 含貫穿裂紋管道模型貼片網(wǎng)格劃分局部

2.2.2 修補后模型ANSYS計算結(jié)果輸出與整理

加載方案與模型修補之前相同。求解結(jié)果如圖9所示。

圖9 含貫穿裂紋管道模型修補后補片附近Von Mises應(yīng)力

比較圖9和圖6可以發(fā)現(xiàn)，修補之后，裂紋附近應(yīng)力明顯降低。

3 結(jié)論

1）對于含不同類型的裂紋構(gòu)件，在受到載荷時裂紋尖端都是應(yīng)力集中的地方，一般都是疲勞失效最先發(fā)生的地方；

2）修補后裂紋附近應(yīng)力集中明顯減弱。

[1]王呼佳，陳洪軍.ANSYS工程分析進階實例[M].北京：中國水利水電出版社，2006：17-75．

[2]張朝暉.ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008：520-537.

[3]楊慶生，楊衛(wèi).斷裂過程的有限元模擬[J].計算力學(xué)學(xué)報，1997，14（4）：407-412.

[4]劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYS[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002：107-114.

[5]陳團海，陳國明，林紅，等.海洋平臺含裂紋管節(jié)點CFRP修復(fù)效果仿真研究[J].石油機械，2006，36（10）：1-4.