蔡佳寶 王海波

(吉林化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林市132022)

近年來(lái)采用有限元法分析壓力管道出現(xiàn)裂紋的問(wèn)題，愈來(lái)愈受專(zhuān)業(yè)人士的關(guān)注與認(rèn)同。李剛借助ANSYS軟件，對(duì)裂紋尖端周遭的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)展開(kāi)仿真，獲取在內(nèi)壓狀況下，壓力管道中的內(nèi)表面出現(xiàn)的軸向裂紋所具備的應(yīng)力強(qiáng)度因子值。比如生活中最常見(jiàn)的液化天然氣儲(chǔ)存。我們經(jīng)常會(huì)看到這些易燃?xì)怏w在壓力管道中輸送，由于不正當(dāng)?shù)牟僮骰蛘邏毫θ萜鞯睦匣?，?huì)發(fā)生很多安全事故[1-2]，在全面考量壓力管道裂紋尖端周遭奇異性的狀況下，陳愛(ài)軍借助有限元位移法，同有關(guān)應(yīng)力法相結(jié)合展開(kāi)運(yùn)算，從而獲取在壓力比較大的狀況下，壓力管道的裂紋尖端周遭，所具備的應(yīng)力強(qiáng)度因子[3-4]，曹?chē)?guó)俊對(duì)彎管出現(xiàn)軸向內(nèi)表面裂紋的狀況展開(kāi)分析，而從成龍等研究者對(duì)彎管產(chǎn)生環(huán)向內(nèi)表面裂紋的狀況展開(kāi)分析，通過(guò)運(yùn)算獲取在彎矩以及內(nèi)壓同時(shí)影響下，彎管具備的全塑性J積分，還有斷裂參量k，這對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的運(yùn)算缺陷予以補(bǔ)足，而且對(duì)一些J積分全塑性解的運(yùn)算缺陷展開(kāi)補(bǔ)充。

這些年英國(guó)對(duì)于部分壓力管道損壞展開(kāi)調(diào)研與統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)分析，從而得知在所有壓力管道損壞的事故當(dāng)中，部分是因?yàn)榱鸭y的作用造成的，至于其它因素則包含運(yùn)用不合理，蠕變或者生產(chǎn)缺陷等諸多方面，在總量當(dāng)中的占比也是比較高的[5-6]。

上述研究均在壓力管道厚度方向上進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的仿真，主要對(duì)于不同深度和寬度裂紋的研究，本文主要在壓力管道不同深度的寬度的基礎(chǔ)上，利用不同裂紋在不同溫度和載荷的情況下進(jìn)行研究。

1幾何模型

建立分析模塊后，需要將簡(jiǎn)化后的三維模型導(dǎo)入。本文在建模型時(shí)，已經(jīng)對(duì)過(guò)渡圓角以及倒角等對(duì)受力影響很小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將其忽略，從而便于后續(xù)網(wǎng)格劃分，提高計(jì)算效率。

2添加邊界條件

為最大限度還原模型在實(shí)際工況下的受力，需要對(duì)模型添加各類(lèi)邊界條件。首先為防止模型發(fā)生剛體位移，同時(shí)模擬實(shí)際裝配環(huán)境，需要對(duì)模型添加位移約束，該位移約束將模型的y、z2個(gè)方向的自由度約束，釋放x方向自由度。

3邊界條件和物性參數(shù)

對(duì)模型內(nèi)表面添加壓強(qiáng)載荷，該壓強(qiáng)值會(huì)隨著工況的變化而產(chǎn)生變化，之后，為對(duì)不同溫度載荷下的裂紋特征進(jìn)行分析，需要進(jìn)行熱力耦合。對(duì)模型整體添加溫度載荷，該溫度載荷數(shù)值也會(huì)隨著工況的變化而產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

3.1材料設(shè)置與網(wǎng)格劃分

本文模型的主要材料是鋼材，彈性模量200000 MPa，泊松比0.3，密度7850 kg/m3，對(duì)將模型整體網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm，將網(wǎng)格劃分方法設(shè)置為四面體法，模型所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量為269215，單元數(shù)量為132598，網(wǎng)格較為密集，滿(mǎn)足分析精度要求。

3.2裂紋特征的添加

通過(guò)局部坐標(biāo)系的建立，來(lái)對(duì)裂紋特征進(jìn)行配置，通過(guò)不同的裂紋特征設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)多種裂紋的建立，從而對(duì)帶有裂紋特征的模型進(jìn)行分析。

4模擬分析結(jié)果

將載荷設(shè)置為0.3 MPa，溫度分別設(shè)置為-22 ℃、0 ℃、20 ℃以及40 ℃，來(lái)對(duì)模型的裂紋特征進(jìn)行分析，設(shè)置完成后，提交計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的等效應(yīng)力與總位移云圖如圖1所示。

圖1應(yīng)力與總位移云圖

5模擬分析結(jié)果

組合工況裂紋特征分析，將溫度與夾角分別設(shè)置為20 ℃ 15°、40 ℃ 30°、60 ℃ 45°及80 ℃ 60°，設(shè)置完成后，計(jì)算得到裂紋K1、K2、K3因子云圖如圖2所示。

圖2裂紋K1、K2、K3因子云圖

從分析結(jié)果可看出，隨著角度與溫度的同時(shí)變化，模型的結(jié)果數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)出不規(guī)律變化。結(jié)合之前所做分析得到的結(jié)論可知，溫度變高會(huì)使得結(jié)果數(shù)據(jù)變大，而夾角變大會(huì)引起結(jié)果數(shù)據(jù)變小。當(dāng)溫度與角度同時(shí)變大時(shí)，所產(chǎn)生的的結(jié)果數(shù)據(jù)先增大后減小，這說(shuō)明角度變化對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)的影響要大于溫度變化的影響。