于红艳[1]2002年在《含裂纹结构的极限载荷分析方法研究》文中进行了进一步梳理本文将塑性极限分析应用于含裂纹结构的极限承载能力的确定，研究和推导了一般含裂纹结构极限载荷的确定方法和普遍计算格式，提出了一种求解极限载荷的迭代算法，并就若干含裂纹结构进行了求解，给出了有意义的结论。 首先，基于塑性极限载荷分析中的上下限定理和有限元离散技术，推导和给出了一般结构极限载荷上下限计算的数学规划的普遍格式和相应的积分数值计算公式。基于最优化理论及其求解方法，提出了一种求解塑性极限载荷的直接迭代算法，通过逐步识别刚性区和塑性区，不断修正目标函数，以逐步求得问题的最优解，论文证明了该优化算法的收敛性。结合平面含裂纹结构的裂纹尖端受力特点和断裂力学的失稳扩展准则，给出了二维含裂纹平面问题的极限载荷的有限元计算公式和计算流程，用C++语言编制了相应的计算机程序。最后，就若干典型含裂纹平板结构进行了实例计算，验证了本文算法的合理性。 本文给出的算法具有重要的理论价值和工程应用价值，为深入细致地研究含裂纹结构的失效模式和确定极限承载等基础理论研究做出了积极的贡献。
李莉[2]2011年在《含缺陷管道力学行为分析》文中研究指明管道运输一直是石油运输的重要方式。受内在和外来诸多因素的影响,管道上可能存在各种裂纹型缺陷,而管道破坏失效的主要原因之一就是裂纹,因此对含裂纹管道进行力学行为分析,对于管线的运行、维修、更换决策等具有重要的意义。本文采用大型有限元分析软件ANSYS,对薄壁表面裂纹管道模型的建立、断裂参量的分析、塑性极限载荷分析计算以及管道失效行为进行探讨与研究,具体工作如下：(1)采用实体建模法建立轴向表面裂纹及环向表面裂纹管道分析模型,包括裂纹缺陷模型以及载荷模型,尝试性地采用参数化的语言编制命令流,在适当范围内改变参数设置达到准确计算所需结果的目的。(2)探讨脆性断裂和弹塑性断裂失效判据及其适用条件。对于脆性断裂的判据主要有能量平衡判断理论和应力强度因子断裂理论；对于弹塑性断裂力学的判据主要有J积分准则,是目前运用最多、行之有效的弹塑性断裂分析方法。(3)基于断裂力学理论基础,应用有限元分析方法计算分析薄壁管道表面裂纹应力强度因子K1,分析影响应力强度因子的主要因素,根据现有的应力强度因子手册得到的应力强度因子简化公式,计算裂纹最深点与表面点的应力强度因子形状系数,使薄壁管道应力强度因子求解系统化。(4)分析EPRI工程方法欠缺点,将裂纹角作为变量引入全塑性J积分表达式,弥补了全塑性解数据库分析的不足；基于等效原场应力法,结合求得的应力强度因子以及现有的全塑性解数据库求解全塑性J积分,方法简单、精确,易于工程实际应用。(5)基于塑性极限理论,归纳塑性极限分析常用的方法、工程上确定塑性极限载荷的准则以及确定塑性极限分析的有限元方法。(6)基于塑性极限分析理论,采用非线性有限元极限分析新方法—停机点法,求解薄壁裂纹管道塑性极限载荷,分析影响极限载荷的主要因素,拟合极限载荷表达式。(7)结合断裂参量以及塑性极限载荷的求解分析,依据失效评估图技术,对含裂纹管道失效行为进行评估。
闻拓[3]2012年在《基于VB的工程缺陷管道安全评估》文中指出一直以来,含缺陷压力管道的安全评定工作都是被关注的重点。随着断裂力学的不断发展,其在缺陷结构安全评定中的应用也越来越广泛。通过有限元方法获取缺陷结构的断裂参量继而开展缺陷结构安全评定工作已成为普遍采用的方法。目前,许多学者已通过理论或模拟方法对简单结构的断裂参量进行了大量研究,并总结出了相关规律；对于结构相对复杂的裂纹形式,比如弯管、叁通等结构上的裂纹形式,无论是理论解还是模拟解,相关研究工作都还未深入开展。因此,本文应用有限元模拟软件ANSYS,建立了弯管结构的多种常见裂纹有限元模型,获取了相应裂纹的线弹性断裂参量——应力强度因子K1和塑性参量——极限载荷,分析了影响这两个参量的因素。最后基于Visual Basic技术,建立了含缺陷管道安全评定专家系统。本文主要内容及结论如下：(1)利用ANSYS参数化语言,建立了直管轴向半穿透长裂纹及直管轴向内壁表面裂纹等有限元模型,并将有限元模拟结果与EPRI手册给出的结果进行对比。结果表明有限元法得到的应力强度因子和极限载荷与文献结果是吻合的。(2)探索出自顶向下创建裂纹的简便方法(实体法),解决了自底向上建模带来的空间构型及网格搭接困难,并将新方法与传统方法对比,验证了新方法的正确性。(3)计算了受内压及弯矩作用下,含内壁环向半穿透裂纹弯管、含外壁环向半穿透裂纹弯管与含环向穿透裂纹弯管的应力强度因子与极限载荷。并给出典型结构在内压P、弯矩M、外径与壁厚之比D0/t、裂纹深度与壁厚之比a/t、弯管曲率半径与外径之比R/D0、裂纹半角θ、纵向裂纹角θ1、环向裂纹角θ2影响下的拟合公式。(4)计算了受内压及弯矩作用下,含轴向穿透裂纹弯管的应力强度因子和极限载荷。并给出典型结构在P、Do/t、R/Do、θ、θ1及θ2影响下的拟合公式。(5)基于Visual Basic和数据库技术,将EPRI手册软件化,实现了对断裂参量的直接理论计算；对EPRI不包含的裂纹形式,采用有限元软件ANSYS二次开发技术,实现断裂参量的有限元模拟计算；最后依据GB/T19624-2004,建立了缺陷管道安全评定专家系统。
潘建宾[4]2018年在《核电主设备接管安全端焊接接头力学性能和结构完整性评价》文中研究指明异种金属焊接接头被广泛使用在核电厂的一回路系统中,主要用于连接压力容器(如反应堆压力容器、蒸汽发生器和稳压器)的铁素体钢管嘴和奥氏体不锈钢安全端。核电运行历史表明,接管安全端异种金属焊接接头是容易发生失效的薄弱环节。因此,需要对不同制造工艺的安全端异种金属焊接接头的力学性能和结构完整性进行研究,以优化制造工艺,保障其服役的安全性。本文首先按照R6选择3的方法构建了不同制造工艺的安全端异种金属焊接结构的失效评定图,研究了裂纹尺寸和裂纹位置对失效评定曲线(FAC)的影响规律。其次,对五种不同制造工艺的安全端异种金属焊接接头的力学性能和断裂韧性进行了试验测试研究。最后,利用建立的失效评定图,评定了五种不同制造工艺的安全端异种金属焊接结构的安全性。研究得到的主要结果如下:(1)无隔离层(叁材料)和含隔离层(四材料)两种工艺制造的安全端异种金属焊接结构的极限载荷相近,失效评定曲线(FAC)基本相同。随裂纹位置向接管嘴移动,FAC上移,裂纹安全性提高。随裂纹深度和长度的增加,FAC下移,裂纹安全性降低。从结构强度考虑,叁材料安全端焊接结构的设计和制造是可行的,可以在保证结构强度的条件下,降低制造成本。(2)试验测得了无隔离层和含隔离层两种制造工艺的安全端异种金属焊接接头的力学性能,包括屈服和抗拉强度、塑性(断裂应变、延伸率及断面收缩率)和加工硬化性能。结果表明:两种接头的力学性能总体上差别不大,采用无隔离层制造的接管安全端接头的力学性能可以达到含隔离层接头的水平。(3)两种制造工艺的安全端焊接接头的裂纹扩展阻力和断裂韧性的试验结果表明:材料界面裂纹的J-R阻力曲线和断裂韧性最低,是接头的最薄弱环节。含隔离层接头最后的高温回火热处理,对接头的断裂韧性影响不大。含隔离层接头不同位置的J-R阻力曲线和断裂韧性J1C·略高于无隔离层接头。总体上两种接头的断裂韧性相差不大。(4)两种补焊接头(含隔离层挖槽补焊和无隔离层挖槽补焊)的J-R阻力曲线和断裂韧性的测试结果表明:含隔离层挖槽补焊接头的J-R阻力曲线和断裂韧性J1C略高于无隔离层挖槽补焊接头。总体上两种补焊区材料的J-R阻力曲线和断裂韧性与其原焊接接头相差不大,即补焊区材料的断裂韧性不低于原接头的水平。(5)用所建立的R6选择3失效评定曲线对五种不同安全端接头(不同制造和补焊工艺)中不同位置和不同尺寸的裂纹在正常工况、紧急工况和事故工况载荷下的安全性(即结构完整性)进行了评定。结果表明:所评价的1/4壁厚和1/2壁厚深度的裂纹(a/t=0.25,a/t=0.5)都是安全的,并且有较大的安全裕度。按R6选择1失效评定曲线和ASME规范的通用失效评定曲线所评定的结果过于保守。采用无隔离层制造的接管安全端焊接结构的完整性与含隔离层接头相近。
闫兴清[5]2007年在《加强筋止裂性能研究及管件极限载荷计算》文中研究指明对含裂纹构件,采用布置加强筋方法进行局部加强,可以阻止或延缓裂纹的扩展,这已被实践证实。定量研究这种结构对延长缺陷构件的寿命有很重要的意义。另外,极限分析因更能反映结构状态的本质,在缺陷管道的安全评定和结构的强度设计中越来越重要,极限载荷的获得,成为工程师致力解决的问题。本文首先通过对结构的分析,运用断裂力学的理论,采用有限元分析方法,分别研究了加强筋对带穿透裂纹平板和管道的止裂规律。然后运用弹塑性力学理论,采用叁维弹塑性有限元方法,对典型管件结构的塑性极限载荷进行了计算。本文主要研究内容和结论如下:(1)研究探求了带加强筋的含裂纹结构模型建立方法,根据现有文献算例验证了模型的正确性。分别建立了带加强筋的穿透裂纹平板和穿透裂纹管道叁维线弹性有限元模型,通过ANSYS提供的参数化编程语言(APDL)编写了模型生成、加载及后处理宏程序。(2)通过引入止裂系数f衡量加强筋的止裂效果。计算发现:影响平板止裂系数f的参数有加强筋位置、宽度、厚度,长度的影响可以忽略。影响穿透裂纹管道止裂系数f的参数有加强筋位置、长度、宽度、厚度以及管道厚径比。给出了f随各参数的变化规律。对穿透裂纹平板,本文提出了加强筋止裂系数f的估算方法,经验证估算方法满足精度要求。对穿透裂纹管道,本文对合理布置加强筋给出建议。(3)选用了合适的极限载荷确定方法,分别建立无缺陷直管、内表面轴向裂纹直管弹塑性有限元模型,将极限载荷计算值与EPRI标准值比较,验证了模型的正确性。对带加强筋的穿透裂纹直管、90°弯管、斜接管、带倒角的斜接管塑性极限载荷进行了计算。定义无量纲塑性极限载荷p为管件的塑性极限载荷与相同规格下直管(主管)的极限载荷之比。探讨了影响无量纲塑性极限载荷p的因素。在工程参数范围内,对各管件的p值进行了大量的计算,得到了p与各参数之间的关系,并将p值编制成表,方便工程应用。
王飞[6]2008年在《等比例载荷作用下含未焊透缺陷不锈钢管道安全性分析》文中认为压力管道是现代流程工业中的重要组成部分,而在役工业压力管道中普遍存在着大量未焊透缺陷,但国内外对此类缺陷的研究较少,尤其是在内压、弯矩组合载荷作用下含未焊透缺陷管道的极限载荷研究更少。本文对工业中常用的不锈钢管道为研究对象,通过理论分析得到了在内压、弯矩组合载荷作用下管道危险点失效时弯矩和内压的解析式,该式表示管道的设计载荷线。通过有限元计算,详细的研究了单一内压、单一弯矩及不同比例内压弯矩组合作用下管道塑性极限载荷,主要考察了未焊透缺陷环向尺寸和深度对管道极限承载能力的影响。在此基础上初步提出一种针对于未焊透缺陷的管道安全评定方法。本文的主要研究内容和结论如下:(1)建立了含未焊透缺陷管道的叁维有限元计算模型,编制出适合本课题需要的有限元前处理及计算程序。(2)对含未焊透缺陷管道塑性极限载荷的影响因素进行简化,完成单一内压、单一弯矩及不同比例内压弯矩组合载荷作用时大量不同未焊透缺陷尺寸管道的塑性极限载荷计算,并建立相关的有限元解数据库。研究含未焊透缺陷管道的塑性极限载荷随主要影响因素的变化规律,提出含未焊透缺陷管道失效模式,并在有限元解的基础上拟合出含未焊透缺陷管道的塑性极限载荷计算公式。(3)通过理论分析所得到的管道设计载荷线与有限元计算的极限载荷曲线比较,获得了管道所含未焊透缺陷的容限尺寸。在大多数情况下,这种方法不需要对管线进行应力分析,应用十分简便。(4)通过对有限元计算所得极限载荷曲线簇进行研究,获得曲线簇的下包络线作为内压弯矩组合载荷作用下的极限载荷计算公式,基于该公式提出一种针对含未焊透缺陷管道的安全评定方法,并对该方法进行试验验证以确定其可靠性。
马增骥[7]2012年在《水下生产系统刚性跨接管结构极限承载分析研究》文中认为跨接管是水下生产系统的主要构件之一,水下地形变化易导致跨接管两端承受较大边界位移载荷,而对水下生产系统的结构安全性产生不利影响。本文以含周向裂纹的跨接管为研究对象,建立了相应的分析模型,采用增量有限元法,对不同位移载荷和裂纹的影响做了分析,总结了含裂纹跨接管极限承载力的变化规律和失效模式的特点。本文的主要研究工作包括:1)根据刚性跨接管的结构形式特点,采用极限承载能力分析的增量有限元法,建立了刚性跨接管结构极限承载能力的评估模型和评估准则。2)比较不同位移载荷形式作用下跨接管结构的极限承载能力,并筛选出最危险的位移载荷形式。3)在此位移载荷形式上考虑裂纹的影响,并运用极限强度理论,归纳了不同裂纹形式下跨接管结构的失效模式。4)根据内表面周向裂纹的大小和位置,总结出不同裂纹参数影响下,刚性跨接管结构极限承载能力的变化规律。
王菲[8]2011年在《含等深周向裂纹厚壁圆筒在复合载荷下的极限载荷研究》文中指出圆筒是压力容器、管道最重要的元器件之一。在对压力容器、管道用R6方法进行结构完整性评定时,极限载荷是十分重要的参数。目前国内外对含周向裂纹薄壁圆筒的极限载荷研究已经比较成熟和完善,但是在复合载荷作用下厚壁圆筒的极限载荷研究仍然十分缺乏。因此本文对含等深周向内、外裂纹厚壁圆筒在内压,轴向力和弯曲复合载荷作用下的极限载荷进行研究,主要的研究工作如下：(1)本文根据Mises屈服准则,在中性轴假设条件,和周向应力、径向应力常数假设下,推导出了含等深周向内、外裂纹厚壁圆筒在受内压、轴向力和弯矩复合载荷下的近似极限载荷公式。(2)对处于内压、轴向力和弯曲复合载荷作用下的理想弹塑性材料圆筒进行了有限元分析,计算了不同裂纹深度(α/t=0.2,0.5,0.8),不同裂纹长度(θ/π=0.2,0.8,1)在不同的载荷比例(λ=0.1,1,10,χ=0.1,1,10)作用下的含等深周向内、外裂纹厚壁圆筒极限载荷。(3)通过本文解与有限元解进行比较和误差分析,结果表明,1.2≤k≤2范围内,本文解小于有限元解,本文解偏保守,除当裂纹长而且深之外,误差在20%以内,可以在工程应用中提供依据；当裂纹长而且深时,本文解与有限元解最大误差超过20%,但误差小于40%,此时对工程应用有一定的指导意义；当k=3时,内压占主导载荷下两种解的最大误差大于25%,小于35%,此时对工程应用有一定的指导意义(4)通过本文解与有限元解的比较,在本文研究范围内,推荐了计算等深周向内、外裂纹厚壁圆筒极限载荷的σθ和σr的取值。
李永正[9]2014年在《同一截面焊接结构完整性理论与试验研究》文中研究说明随着焊接工艺水平的提高，“一刀齐”总段合拢工艺已应用于国内大型船企民用船舶建造中。“一刀齐”对接工艺的采用，为分段无余量合拢提供了有利条件，极大的减轻了两段船体在船台上合拢的工作量，有效缩短了产品研制时间和生产周期。但是，采用“一刀齐”对接工艺后船体的强度、刚度、残余应力和焊接变形、疲劳寿命等是否会有较大影响，影响程度如何等关键技术并没有进行过深入的研究和探讨。本文在理论研究和试验对比的基础上，建立了典型焊接接头焊接残余应力数值预报方法，分析了典型焊接接头焊接残余应力的分布规律及其对结构极限强度的影响；基于多尺度理论拟合得出了含裂纹典型焊接接头极限强度计算公式；引入新R6失效评判图对典型焊接接头开展了失效评判，计算了典型焊接接头在某荷载下的临界裂纹长度；进行了不同初始裂纹长度下典型焊接接头的疲劳寿命预报；开展了典型焊接结构极限强度和疲劳强度试验研究。通过论文的系统研究，取得了一下主要研究成果：1）通过平板对接焊数值模拟和试验值的对比分析，建立了典型焊接接头焊接过程有限元数值模拟的方法和流程。进而开展了不同对接工艺典型焊接接头的焊接温度场、应力场的数值模拟研究，获得了不同对接工艺典型焊接接头的焊接温度场、应力场的分布规律和各自的特点。2）针对不同边界固定方式、不同焊材强度匹配对典型焊接接头焊接残余应力场和位移场的影响开展研究。研究结果表明，不同的边界固定方式会使不同对接工艺下的典型焊接接头的焊接残余应力场和位移场重新分布，但对于残余应力和焊接变形的最大值没有影响；采用不同焊材强度匹配对焊接残余应力有一定的影响，不同匹配间的最大差值为80MPa。3）把多尺度理论与有限元技术相结合的方法用于含微裂纹缺陷结构极限承载能力研究。利用本构逼近法，把含微裂纹缺陷结构极限承载能力研究过程划分成介观尺寸模型研究和宏观尺寸模型研究两部分进行研究；把含微裂纹介观尺寸模型作为典型焊接接头的宏观结构中区别于常规材料属性的部分嵌套至整体模型中参与计算，并建立了基于L4的正交表计算方案，开展典型焊接接头整体结构的极限强度计算。4）基于大量的算例，拟合得出了包含相对裂纹长度（RCL）、裂纹分布深度(CD)和裂纹分布比例(CRD)叁个变量不同对接形式下典型焊接接头极限强度计算公式。基于极限强度拟合公式，分别开展了相对裂纹长度（RCL）、裂纹分布深度(CD)和裂纹分布比例(CRD)变量对典型焊接接头极限承载能力影响的研究。同时，也开展了焊接残余应力对结构极限强度的影响研究。5）利用新R6失效评定图的失效评定方法，对典型焊接接头进行了失效评定。通过失效评定，获得了典型焊接接头随初始裂纹长度变化的失效路径曲线。根据失效路径曲线可以得到不同对接形式的对接接头的临界初始裂纹长度。同时，针对第叁章提出的焊接结构允许最小裂纹长度进行了失效评定研究，研究结果为结构的完整性评估提供了有力的参考。6）根据新R6失效评定图的方法,开展了典型焊接接头在167MPa、220MPa、335MPa和418MPa四种工作应力水平下的失效评定研究。通过失效评定研究，获得了四种工作应力水平下典型焊接接头的临界裂纹尺寸，并把获得的各评判点的裂纹临界尺寸与试验测试结果进行了对比分析，两者吻合较好。7）针对上述采用的微裂纹尺度，开展了含初始裂纹典型焊接接头的疲劳寿命预报。通过疲劳寿命预报，获得了初始裂纹长度与疲劳寿命的关系曲线，并根据典型焊接接头的疲劳试验结果与预报的疲劳寿命进行对比分析，获得了试验结构的初始裂纹长度。
蔡钢思[10]2006年在《内压和轴向力复合载荷下含周向面型缺陷厚壁圆筒的极限载荷研究》文中研究表明圆筒是构成压力容器和管道的最基本元件。在使用R6方法的压力容器和管道结构完整性评估过程中，含缺陷圆筒的极限载荷是一个非常重要的输入参量。目前，复合载荷作用下含周向缺陷薄壁圆筒的极限载荷解已经较为完善。然而，在内压和其它载荷作用下含周向缺陷厚壁圆筒的极限载荷解却仍然非常的缺少。本文为了发展内压和轴向力联合作用下含甩向整圈等深裂纹厚壁圆筒的极限载荷解，主要研究内容如下： (1) 考虑了厚壁圆筒应力分布的不均匀性以及厚壁圆筒的几何特性，基于Yon Mises屈服准则，给出了内压和轴向力共同作用下的厚壁圆筒极限载荷表达式。所给出的理论解与各种径比和载荷比例下的有限元解符合的非常好。同时，还与现有的一些理论解做了比较，结果表明，本文所给出的理论表达式是最精确的。 (2) 考虑了厚壁圆筒应力分布的不均匀性以及厚壁圆筒的几何特性，基于Mises屈服准则给出了含周向内表面等深裂纹(密封和开口)厚壁圆筒在内压和轴向力共同作用下的极限载荷计算公式。所给出的理论解与各种径比、裂纹深度以及载荷比例下的有限元解经过比较，结果表明，两种情况下理论解与有限元解的误差都在-20％以内且偏于保守，可为工程应用提供依据。 (3) 考虑了厚壁圆筒应力分布的不均匀性以及厚壁圆筒的几何特性，基于Von Mises屈服准则，提出了内压和轴向力共同作用下的含周向等深外表面裂纹厚壁圆筒极限载荷表达式。所给出的理论解与各种径比、裂纹深度以及载荷比例下的有限元解经过比较，结果表明，其理论解与有限元解的误差在-30％以内，给出偏保守的理论结果，具有一定的工程应用价值。
参考文献：
[1]. 含裂纹结构的极限载荷分析方法研究[D]. 于红艳. 西北工业大学. 2002
[2]. 含缺陷管道力学行为分析[D]. 李莉. 西安石油大学. 2011
[3]. 基于VB的工程缺陷管道安全评估[D]. 闻拓. 大连理工大学. 2012
[4]. 核电主设备接管安全端焊接接头力学性能和结构完整性评价[D]. 潘建宾. 华东理工大学. 2018
[5]. 加强筋止裂性能研究及管件极限载荷计算[D]. 闫兴清. 大连理工大学. 2007
[6]. 等比例载荷作用下含未焊透缺陷不锈钢管道安全性分析[D]. 王飞. 浙江大学. 2008
[7]. 水下生产系统刚性跨接管结构极限承载分析研究[D]. 马增骥. 上海交通大学. 2012
[8]. 含等深周向裂纹厚壁圆筒在复合载荷下的极限载荷研究[D]. 王菲. 浙江工业大学. 2011
[9]. 同一截面焊接结构完整性理论与试验研究[D]. 李永正. 中国舰船研究院. 2014
[10]. 内压和轴向力复合载荷下含周向面型缺陷厚壁圆筒的极限载荷研究[D]. 蔡钢思. 浙江工业大学. 2006