管道疲劳裂纹扩展数值模拟

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1、学兔兔www.xuetutu.com第38卷第2期石油化工设备Vo1．38NO．22009年3月PETR0一CHEMICALEQUIPMENTMar．2009文章编号：1000—7466(2009)02—0023—05管道疲劳裂纹扩展数值模拟段庆全，于国鹏，张宏(中国石油大学，北京102249)摘要：基于弹塑性基本理论，针对随动强化材料模型，以临界强度因子为开裂准则，采用退化奇异单元并编制弹塑性有限元程序，成功地模拟了管材疲劳裂纹的动态扩展过程。模拟结果与试验结果吻合较好，能很好地反映过载迟滞效应等现象。关

2、键词：管道；随动强化；临界强度因子；退化奇异单元；数值模拟；疲劳扩展速率中图分类号：TE973文献标志码：ANumericalSimulationofPipelineFatigueCrackPropagationDUANQing-quan，YUGuo—peng，ZHANGHong(ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249，China)Abstract：Asaresultofexperimentalcomplexityofpipelinefatiguecrackprop

3、agation，numericalsimulationcouldtakeanimportantrole．Basedontheclassicalelastic—plastictheory，anelastic—plasticfiniteelementprogramwasdevelopedrespectivelyforkinematichardeningmaterial，whichhadasuccessfulsimulationoffatiguecrackpropagationwithasingularityis

4、oparametricelementandthecriterionofcriticalintensityfactor．Theresultsofsimulationsofspecimenwerewellcoin—cidewiththeexperimentalones，andwhichalsocanreflectthephenomenonofoverloadingdelayverywel1．So，thenumericalsimulationisveryimportanttoanticipatetheveloci

5、tyofpipelinefa-tiguecrackpropagation．Keywords：pipeline；kinematichardening；criticalintensityfactor；singularityisoparametricelement；numericalsimulation；velocityoffatiguecrackpropagation自1865年美国建成世界上第一条长输油管道影响管道安全运行的因素很多，但是当管道因至今，管道运输业已有近140a的历史。对于石油腐蚀或外力作用形成

6、裂纹时，裂纹在内力或外力的产品及天然气的运输，管道是最佳的选择。目前，全作用下，将会产生疲劳扩展，扩展及失稳导致的断裂球已建成的管道超过230×10km，其中输气管道是最常见和最危险的因素，也是产生灾难性事故的占近60，原油管道和成品油管道分别大于15％，主要原因。这就需要我们对含缺陷管道的疲劳裂纹化工和其他管道不足10。在能源运输中，全世界扩展状况做出准确的判断，为管道维修和更换赢得100的天然气和85以上的原油运输是通过管道时间。实现的l_】]。因此，保持管道的安全运行尤为重要。近年来关于管道疲劳裂纹扩

7、展的理论研究大多收稿日期：2008—10—12基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目——生命线工程安全保障关键技术研究及工程示范(2OO6BAKO2BO1—2)作者简介：段庆全(1974一)，男，河南夏邑人，讲师，博士，从事油气管道安全、力学分析方面的研究与教学工作。学兔兔www.xuetutu.com石油化工设备2009年第38卷以Paris公式为理论基础，引入断裂力学中的应力的应力和位移场具有和断裂力学所预计的相同特强度因子反映其疲劳裂纹扩展的基本规律。但理论性，即裂尖处的断裂应力强度因子和应力最大，

8、且两分析难以有实质性进展，因为在循环载荷作用下，疲者呈正比关系。劳裂纹扩展是个复杂过程[2]，众多的理论分析难以有效地解释裂纹尖端(简称为裂尖)的应力应变场及其动态扩展过程。研究表明，有限元法是求其数值解的一个较有效的方法，它已被广泛用来模拟疲劳裂纹扩展。本文在有限元程序中引入了随动强化材料模型、临界强度因子判别准则以及二维退化奇异等参单元和节点力释放技术，可以有效地模拟裂纹塑性疲劳起始扩展和整个扩展过程，模拟结