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基于VB的工程缺陷管道安全评估

作　者: 闻拓
导　师: 喻健良
学　校: 大连理工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 裂纹有限元应力强度因子极限载荷弯管
分类号: U171
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

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、三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。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
引言  10-11
1 绪论  11-28
  1.1 断裂力学理论发展及应用  11-13
    1.1.1 线弹性断裂力学理论发展及应用  11-12
    1.1.2 弹塑性断裂力学理论发展及应用  12-13
  1.2 断裂参量  13-18
    1.2.1 应力强度因子K  13-16
    1.2.2 裂纹张开位移δ(COD)  16-17
    1.2.3 J积分  17-18
    1.2.4 断裂参量相互关系  18
  1.3 塑性极限分析  18-20
    1.3.1 塑性极限分析概念  19
    1.3.2 极限载荷的确定方法  19-20
  1.4 国内外弯管缺陷研究汇总  20-21
  1.5 含缺陷压力容器评定方法  21-24
    1.5.1 英国老R6失效评定图  22-23
    1.5.2 英国新R6失效评定图  23-24
  1.6 管道安全评定专家系统  24-26
  1.7 本文研究内容与技术路线  26-28
    1.7.1 研究内容  26-27
    1.7.2 技术路线  27-28
2 有限元模型建立及验证  28-43
  2.1 有限元析软件ANSYS简介  28
  2.2 裂纹单元选择及缺陷模型建立  28-31
    2.2.1 裂纹单元选择  28-30
    2.2.2 裂纹尖端模型建立  30-31
  2.3 应力强度因子与极限载荷有限元求解方法及验证  31-39
    2.3.1 应力强度因子有限元求解方法  31-33
    2.3.2 极限载荷有限元求解方法  33-34
    2.3.3 应力强度因子与极限载荷求解方法验证  34-39
  2.4 含缺陷结构实体建模方法及验证  39-42
    2.4.1 传统裂纹构建方法  39-40
    2.4.2 裂纹构建新方法  40-41
    2.4.3 改进的裂纹建模新方法精度验证  41-42
  2.5 本章小结  42-43
3 含环向裂纹光滑弯管有限元分析  43-76
  3.1 有限元模型建立  43-46
    3.1.1 几何模型  43-44
    3.1.2 有限元模型  44-45
    3.1.3 参量的无量纲化分析  45-46
  3.2 含内表面环向裂纹光滑弯管有限元计算  46-62
    3.2.1 应力强度因子结果及分析  46-60
    3.2.2 极限载荷结果及分析  60-62
  3.3 含外表面环向裂纹光滑弯管有限元计算  62-66
    3.3.1 应力强度因子结果及分析  62-65
    3.3.2 极限载荷结果及分析  65-66
  3.4 含环向穿透裂纹光滑弯管有限元计算  66-73
    3.4.1 应力强度因子结果及分析  66-70
    3.4.2 极限载荷结果及分析  70-73
  3.5 本章小结  73-76
4 含轴向穿透裂纹光滑弯管有限元分析  76-86
  4.1 应力强度因子结果及分析  76-79
    4.1.1 内压  76-78
    4.1.2 张开弯矩  78-79
  4.2 极限载荷结果及分析  79-82
    4.2.1 内压  79-81
    4.2.2 内压作用下P_L拟合公式  81-82
  4.3 多载荷工况L_R确定准则  82-85
    4.3.1 原L_r确定方法  82-83
    4.3.2 改进的L_r确定方法  83-85
  4.4 本章小结  85-86
5 含缺陷管道安全评定专家系统  86-97
  5.1 理论解模块  86-88
    5.1.1 理论解主窗口  86-87
    5.1.2 理论解求解窗口  87-88
  5.2 模拟解模块  88-93
    5.2.1 模拟解主窗口  89-90
    5.2.2 平板裂纹形式  90-91
    5.2.3 直管裂纹形式  91-92
    5.2.4 弯管裂纹形式  92
    5.2.5 三通裂纹形式  92-93
  5.3 安全评定模块  93-96
    5.3.1 简化评定  94-95
    5.3.2 常规评定  95-96
  5.4 本章小结  96-97
结论  97-98
展望  98-99
参考文献  99-102
附录A 主要符号说明  102-103
附录B 应力强度因子与极限载荷参数化  103-108
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  108-109
致谢  109-110

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