塑料压力管道破坏机理的损伤力学研究及其数值模拟

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1、四川大学硕士论文塑料压力管道破坏机理的损伤力学研究及其数值模拟材料加工工程专业研究生赵薇娜指导教师陈利民副教授摘要塑料压力管道长期使用性能的研究和预测对于确定管件的检修时间和防止事故的发生具有非常重要的意义。然而，由于传统的塑料管道寿命分析方法几乎都只考虑了管道在产生宏观裂纹后的裂纹扩展过程而未涉及到管道的微观损伤演变过程，因此其预测结果与管道的实际情况相比具有一定误差。针对于此，本文利用损伤力学理论建立起塑料压力管道在真实应力下的物理模型，不仅同时考虑到了蠕变载荷和疲劳载荷对管道的作用，而且弥补了传统断裂力学理论中忽略了微观裂纹增长及损伤累积过程的缺陷，使得模型

2、更加接近于真实情况，并利用vB语言编制了相应的预测软件，为塑料压力管道长期性能的研究和预测提供了一种新方法。本文利用高分子材料学、损伤力学、材料力学和计算机图形学等基本理论，建立起高分子材料在蠕变和疲劳载荷长期加载过程中损伤演变的数学模型，并运用数值方法对其进行分析计算，以实现对塑料压力管道长期性能的预测和寿命分析。本方法只需通过快捷的拉伸实验得到材料的各损伤参数并代入基于损伤力学的模型中进行分析模拟，即可对材料的长期使用性能进行模拟并可对其失效寿命进行预测，从而使只通过简洁的实验即可获得材料的长期力学性能成为可能，并使对高分子材料长期性能的认识，从宏观进入微观、

3、从定性进入定量、从静态进入动态，为预测塑料压力管道的服役寿命和检修年限提供了科学依据及分析手段。总结如下：1．根据损伤力学原理，对高分子材料在疲劳载荷和蠕变载荷加载下的损伤演变过程进行分析，得到各情况下的本构方程，从而分别推导出相应受力状态下塑料压力管道破坏机理的损伤力学研究及其数值模拟的损伤演变方程；2．对疲劳和蠕变两种加载形式下的损伤过程进行深入分析，建立了相应的物理模型和数学模型，使用VisualBasic语言编写出关于各自力学参数演变的可视化程序；3．由于高分子材料的一些物性参数具有很高的温度依赖性，因此利用DMA方法分析得到材料在各温度下的力学参数，从而

4、可计算得到其它与温度相关的材料参数。此外，由于进行损伤力学计算还需要得到材料的损伤参数，因此利用万能实验机对试样进行拉伸实验，并通过对其实验数据的整合处理，识别得到材料在常温下的相关损伤参数；4．对聚丙烯材料进行了基于蠕变损伤模型的数值模拟，对材料的蠕变失效破坏过程进行了模拟分析，对其服役寿命进行了预测，并将模拟结果与DMA实验结果和文献中的实验结果相验证，证明通过此预测方法得到的蠕变数据可靠性较高；5．对聚丙烯和高密度聚乙烯材料进行了基于疲劳损伤模型的数值模拟，对材料的疲劳失效破坏过程进行了模拟分析和寿命预测，并将模拟结果与实验结果相验证，通过比较证明此预测方法

5、得到的疲劳数据较为准确；，6．针对于塑料压力管在使用过程中所承受的真实应力状态，对疲劳和蠕变两种损伤形式进行藕合分析，建立了相应的物理模型和数学模型，使用VisualBasic语言编写出其力学参数演变的可视化程序。明确直观的模拟了塑料压力管道在实际使用过程中长期力学性能的演变过程，并可根据具体的材料、应力、温度等条件对其服役寿命进行预测：7．对塑料压力管道的真实受力状态进行建模分析，并对管径为lOOmm的PEl00级燃气管道在真实应力状态下的损伤过程进行了分析模拟，证明了疲劳载荷对管道寿命具有较大影响，并对本领域的未来发展方向进行了预测。关键词：塑料压力管道：损伤

6、力学：数值模拟：寿命预测：疲劳破坏；蠕变破坏；动态力学分析四川大学硕士论文StudyandNumericalSimulationofFractureMechanicsinPlasticPressurePipesbyDamegeMechanicsMajor．MaterialProcessingEngineeringPostgraduate：ZhaoWeinaSupervisor：AssociateProf．ChenLiminAbstractTopredictthelifetimeunderthelong—temlloadingofplasticpressurepip

7、esexactlyhasgreatimportancetothedeterminationoftheexaminationtimeofpolymerpartsandthepreventingfromthepossibilityofaccidentstakesplace．However，traditionalstudiesofitwerenearlyallbasedonfracturemechanicswhichwereignoredtheprocessbeforethecrackengenderedandtheevolvementofdamageinmateria

8、ls．Th