大型储罐角焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子数值计算

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1、大型储罐角焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子数值计算魏化中*1，2张占武1丁克勤3舒安庆1，2(1．武汉工程大学机电工程学院;2．武汉市压力容器压力管道安全技术研究中心;3．中国特种设备检测研究院)摘要针对大型储罐典型失效模式———角焊缝开裂，利用ANSYS建立有限元模型求得角焊缝焊趾附近精确应力场;采用1/4节点奇异单元法和混合网格扩展法建立角焊缝焊趾表面半椭圆裂纹模型并求解应力强度因子;讨论了裂纹深度半长比a/c、裂纹深度板厚比a/t、焊脚尺寸板厚比Lw/t和焊趾角θ对应力强度因子数值分布的影响。计算

2、结果表明:角焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子沿裂纹前沿呈U形分布，在表面点取得最大;随着裂纹深度a的增加，表面点应力强度因子有增大趋势，而最深点的焊接放大效应则逐渐减小。关键词大型储罐角焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子混合网格扩展法中图分类号TQ053．2文献标识码A文章编号0254-6094(2014)01-0088-07随着国家石油战略储备库和一批大型商业油库的建成，目前国内在役的10万m3及以上的储油罐已有数百台，这些储罐的安全运行意义重大。储罐常见的失效模式包括腐蚀和开裂，对于裂纹失效模式，最常见的

3、是角焊缝焊趾裂纹。大型储罐盛装的介质大多腐蚀性较强，而且角焊缝处于结构不连续区域，因此角焊缝裂纹的开裂机理一般属于较低应力水平的应力腐蚀开裂，可作为线弹性断裂问题来处理。对裂纹的研究，应力强度因子是控制线弹性断裂的重要参量，如果使用双参数失效评定图来进行裂纹缺陷安全评价，应力强度因子也是需要计算的重要基础数据。求解应力强度因子的方法主要有解析法、实验法和数值法，笔者采用数值法中的有限元法对储罐角焊缝焊趾表面裂纹进行建模求解。采用有限元法求解储罐角焊缝焊趾表面裂纹应力强度因子有两个难点，一是裂纹及其扩

4、展层有限元模型建立的复杂性。有限元法建立裂纹模型常用的方法是1/4节点奇异单元法，其难点在于裂尖奇异单元中节点的添加和奇异单元的扩展［1］。1/4节点的添加可以通过ANSYS中的宏命令FＲACT来实现;奇异单元扩展成整体模型则是建模的关键，笔者提出利用混合网格扩展方法实现裂纹奇异单元到整体有限元模型的扩展。二是大型储罐焊趾位置应力状态复杂。大型储罐的地基一般采用混凝土环梁地基与砂土地基组合的方式，在受压的情况下两地基的交界位置会发生不均匀沉降，导致一段边缘板翘离底面。这给理论公式计算罐壁下节点的应

5、力带来很大工作量，需要假设一段翘离长度进行反复试算［2］。常用有限元软件模型为罐底板－地基接触模型。由于计算焊趾表面裂纹需要进行三维建模，三维的接触分析属于非线性分析，加之大型储罐有限元模型网格较多，计算一次耗时很长，且裂纹应力强度因子计算又要进行大量重复计算，必须建立可用于大量重复计算的有限元模型进行求解。针对焊趾部位应力场求解的困难，笔者讨论了3D简化约束模型用于变参数裂纹应力强度因子的求解。1混合网格扩展方法文献［3～5］讨论了关于裂尖奇异单元模型*魏化中，男，1955年7月生，教授。湖北省武

6、汉市，430205。的建立。ANSYSVM143中给出了构造裂尖奇异单元最关键的一步———添加1/4节点的宏命令裂纹深度比对应力强度数值影响显著。对于此次平板裂纹建模计算，裂尖奇异单元尺寸和裂纹深［7］FＲACT。在此基础上讨论裂尖奇异单元扩展成整度比Lq/a保证在0．01～0．04之间，奇异单元个计算模型的方法。对于不复杂结构，可以通过逐节点扩展法扩展成六面体的整体模型(图1)。在ANSYS中先确定边界点，利用FILL命令填充节点，再通过生成单元的命令由节点生成单元，对于平板或者简单圆筒体可

7、以利用逐节点扩展方法。对于复杂结构，逐节点扩展法的工作量则比较大，这种方法并不实用，但可以采用混合网格扩展方法进行扩展，其建模过程如图2所示。文献［6］利用混合网格扩展法进行裂纹及其扩展模型建模，并利用多节点耦合(MPC)方法处理连接的交界面。图1逐节点生成的1/4平板半椭圆裂纹模型图2混合网格扩展法建模过程以平板表面半椭圆裂纹为例来说明混合网格扩展法的实现过程，储罐角焊缝焊趾表面裂纹有限元模型可通过类似方法建立。通过逐节点建模法建立奇异单元及其包围层，沿椭圆裂纹前沿建10段单元，每段单元跨过的角度

8、按照椭圆弧长的等分数换算得到。每段中裂尖单元沿圆周方向划分16段，每段角度为22．5°。奇异单元的尺寸和包围层和奇异单元尺寸间隔比设置为1。利用混合网格扩展法将裂尖奇异单元及其包围层与整体模型连接。奇异单元及其包围层建好之后建立外围几何模型，并把裂尖单元及其扩展层的位置挖空;外围的几何模型划分完网格之后，将奇异单元及其扩展层的网格和几何模型上的网格进行连接，保证交界面具有公共节点。图3～5显示了奇异单元及其包围层与整个模型连接的过程。图3奇异单元及其扩展层的几何模型