根据压力管道安全评定的工程需要给出了管道周期环向裂纹应力因子通用曲线

裂纹是压力管道最常见的缺陷之一，其失稳和扩展会造成灾难性事故。 裂纹应力强度因子是压力管道安全评估的重要参数。 由于管道是三维构件，使用经典方法求解应力强度因子存在很多困难。 所得解与积分理论非常相似，是求解工程构件裂纹应力强度因子的一种新方法。 它简单而准确。 基于G*积分理论，给出了管道周期性周向裂纹应力强度因子的通用曲线，用于安全评估。 以周向三裂纹拉伸问题为例，将应力强度因子的G*积分解与有限元解进行比较，两者吻合较好。 通过G*积分分解曲线可以方便地得到应力强度因子，适合工程应用。 管道周期性裂纹的应力强度因子。 管道作为重要的工程构件，兼有壳体和梁的特点。 可采用周向周期性裂纹管（m=3、m=2、m=1）的裂纹构型。 2.1 拉伸 周期性裂纹管道的应力强度因子拉伸周向周期性裂纹截面，如图2所示。对于同一截面有m（mφπ）条周期性裂纹的管道，每条裂纹都有两个相同的裂纹尖端奇异应力场。 因此，裂纹截面上总共存在2m的裂纹尖端奇异应力场。 对于受拉周期性裂纹管道（m=3），利用G*积分理论可以得到应力强度因子K-正则化应力强度因子，其中包括拉力N、管道半径R、管道壁厚t等因素的贡献为应力强度因子。 正则化后应力强度因子表达式大大简化。

正则化后的应力强度因子为：Crack 机械设计制造第号1278式(1)和(2)表明，裂纹管材在拉伸循环过程中的应力强度因子仅由作用在其上的拉力决定。裂纹截面和面积系数。 即，能够求出γ(φ/π)。 正则化应力强度因子仅与γ(φ/π)有关。 2.2 应力强度因子的有限元验证 利用有限元软件计算应力强度因子是验证G*积分分解的有效方法。 目前，有限元方法已发展成为一种有效的工程分析方法。 有限元法的基本思想是将连续解域离散成一组按一定方式相互连接的有限单元组合，将单元中的未知函数设置为简单形式，对系统进行变换将微分方程转化为节点。 用于导出问题解的变量代数方程组。 该解是所解决问题的近似解，但其精度足以满足工程需要。 而且，随着单元数量或单元自由度的增加，解的逼近程度不断提高。 如果单元满足收敛要求，近似解最终将收敛到精确解。 有限元方法的应用依赖于计算机软件的发展。 ANSYS分析软件是众多有限元软件中公认的典型代表。 管道具有轴对称的几何形状，因此使用圆柱坐标系。 并且由于在管壁中，径向力相对环向应力和轴向力来说很小，可以忽略不计。 由三维守恒定律，我们得到： - 作用在曲线外侧的表面力矢量； n 基于方程（4）和（5）。 可以使用ANSYS有限元程序求解应力强度因子K。首先，根据管道的几何特性建立有限元模型。 。

然后对模型进行适当的网格划分，裂纹尖端处的网格比较密集。 然后，根据对象边界条件对模型施加合理的约束和载荷。 经过有限元程序运算，可以获得各单元和节点的位移、应力分量、应变分量等参数。 使用后处理程序计算这些结果并最终获得应力强度因子值。 拉力周期性地穿透裂纹管道，如图3所示。此时，取管道壁厚与半径之比t/R=0.1，泊松比μ=0.3，裂纹数量m=3。 方程（2）的结果与有限元解的比较如图3所示。其分解与有限元解非常相似。 上述例子表明，G*积分分解具有良好的精度，且形式简单，易于工程应用。 2.3 拉伸循环裂纹管材应力强度因子通用曲线 对于拉伸循环环向贯穿裂纹管材，如果给出通用应力强度因子曲线，则可以很容易地求出任意数量裂纹处的应力强度因子。 如图4所示，曲线给出了方程（2）中的正则化应力强度因子f。 如果裂纹角 φ 和周期性裂纹数 m 已知，则可以计算出正则化裂纹角 mφ/π。 求出横坐标的正则化裂纹角度mφ/π，求出曲线上对应点(mφ/π，f)，从而得到正则化应力强度因子f(mφ/π)，可以方便地用方程( 1）求出应力强度因子K。根据管道的特点，可以给出多条相似的曲线，以方便工程应用。 结论 根据压力管道安全评估的工程需要，基于G*积分理论，给出了管道周期性周向裂纹应力强度因子的通用曲线。

通过管道裂纹角度和周期性裂纹的数量，可以在曲线上找到正则化的应力强度因子，由式（1）可以很容易地得到应力强度因子K。 对于三裂纹拉伸问题，将应力强度因子G*积分解与作者给出的有限元解进行了比较。 两者吻合较好，表明应力强度因子G*积分解具有良好的精度。 在安全评价中，压力管道一般根据其外壳进行评价。 裂纹分为表面裂纹、穿透裂纹和埋藏裂纹。 其中，表面裂纹和埋藏裂纹可按等效应力强度因子法转化为贯穿裂纹进行加工。 因此，只需求解贯穿裂纹的裂纹尖端应力强度因子即可为管道完整性评价提供补充。 通过给定正则化应力强度因子曲线并构造更多条曲线，可以方便地计算出应力强度因子，既满足工程精度要求，又便于工程应用。参考文献L，，En-，1985，22(4)： 609~616J, 徐洪, -, 1998, 29(3): 195~, 不对称弯曲双侧裂纹管道的应力强度因子。 辽宁石油化工大学学报, 2000, 20(4), 48～51 裂纹管道失效评估曲线实例验证。 机械强度，2003，25(3)：251～253压力管道可靠性与安全评价。 机械设计与制造，2004（1）：压力管道动态断裂行为研究。 机械设计与制造，2006（2）：0.050.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 正则裂纹角 φ/π 2.5 该解的有限元解为 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 正则裂纹角 m φ/π 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 孔令超：含裂纹压力管道安全评估的应力强度因子曲线79 标准共享网.bzfxw 免费下载