ANSYS在壓力容器及管道缺陷評定中的應用

吳龍平 王文娜 明斐卿 姜 珊 張志強 趙 月

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司 2.河北石油職業技術學院)

ANSYS在壓力容器及管道缺陷評定中的應用

吳龍平*1王文娜2明斐卿2姜 珊1張志強1趙 月1

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司 2.河北石油職業技術學院)

首先介紹了壓力容器及管道缺陷評定的常用方法，即應力強度因子法和J積分法；然后闡述了ANSYS在壓力容器及管道缺陷評定時的一般步驟；最后針對二維裂紋和三維裂紋進行了應力強度因子和 J積分計算，并與手工計算值進行了對比。結果表明，應用ANSYS對壓力容器及管道進行缺陷評定是安全可靠的。

壓力容器 管道 應力強度因子 J積分 斷裂模型 裂紋尖端

斷裂力學的思想是Griffith于1920年奠定的。他首先將強度與裂紋尺寸定量地聯系在一起，對玻璃平板進行了大量的試驗研究，提出了能量理論，建立了脆斷理論的基本框架。然而，裂紋在外界因素作用下處于平衡或擴展，都與裂紋尖端的應力場有直接關系。為此，Irwin[1]在他人對裂紋尖端的應力和位移場進行分析而得到一組具有奇異性應力場的參量基礎上，提出了一個新的力學參量——應力強度因子，并建立了相應的斷裂判據。經過一段時間，Wells[2]于1963年提出了COD概念，其定義是裂紋體承載后，裂紋尖端沿垂直裂紋方向所產生的張開位移。雖然COD理論及其判據在中、低強度鋼制壓力容器及管道分析中得到了廣泛應用，但COD值本身并不是一個直接而嚴密的裂紋尖端彈塑性應力應變場的表征參量，其理論分析和實驗測定也都比較困難。于是，Rice[3]于1968年提出了J積分的概念。J積分是一個定義明確、理論嚴密的應力應變場參量，它不僅適用于線彈性的斷裂分析，也適用于彈塑性的斷裂分析，且又易于實驗測定。此外，J積分還具有與積分路徑無關的特點，故可避開對裂紋尖端處極其復雜的應力應變場的分析。

1 應力強度因子[4]

應力強度因子是描述裂紋尖端應力場強弱的斷裂參量。在裂紋尖端，應力場具有奇異性。應力強度因子作為描述這種具有奇異性應力場的參量，當考慮裂紋尖端區域任意一點的坐標趨于奇異點時，穿透裂紋的應力強度因子的一般定義式為式 (1)。從式 (1)可以看出，要求解裂紋尖端的應力強度因子，只要把裂紋尖端的應力場先求出來，然后取其在裂紋尖端處的極值即可。

式中 r——裂紋尖端半徑，mm；

σy——裂紋y方向的拉壓應力，MPa；

τxy——裂紋x或y方向的剪切應力，MPa；

θ——裂紋與x軸的夾角， （°）。

裂紋尖端應力場的求解方法一般可分為四種：一是根據彈性理論按嚴格的邊界條件求得相對精確的解析解，這種方法只適用于一些簡單的斷裂問題，如具有穿透裂紋的無限大平板等；二是根據彈性理論按近似的邊界條件求得近似的解析解，這種解法實用于一些形狀規則的裂紋體斷裂問題，如三點彎曲試樣和緊湊拉伸試樣等；三是數值解法，如有限元法，這種解法實用于各種裂紋體的斷裂問題，但只針對具體尺寸的裂紋體，無解析解；四是實驗法，借助于實驗手段來獲得裂紋尖端區域的應力場分布。

對非穿透裂紋體來說，主要有橢圓片狀埋藏裂紋和半橢圓狀表面裂紋。其中，橢圓埋藏裂紋的應力強度因子表達式如式 (2）所示。

式中 Ω——考慮自由表面的影響而引入的修正系數，稱為近表面修正系數。

式 （2）中的Ω與裂紋尺寸及裂紋在裂紋體中的位置有關，可按經驗公式式 (3)、式 (4)、式 (5)計算。

式中 p1——埋藏裂紋至自由表面的最小距離，mm；

a——埋藏裂紋長半軸長度，mm；

c——埋藏裂紋短半軸長度，mm。

對表面裂紋來說，由于問題很復雜，用數學方法處理難度較大，其應力強度因子只能通過不同方法得到各種近似的計算公式來進行計算。式 （6）即為應力強度因子的一種近似計算式。

式中 F——前后表面修正系數，與裂紋尺寸和裂紋體的厚度有關。

目前關于F的表達形式很多，但是結果差別較大。我國在大量實驗基礎上，對近二十年來的20多個經驗公式進行了綜合評價， 認為其中Schmitt—Keim于1979年通過對受壓圓筒裂紋能量釋放率的有限元計算提出的公式，誤差最小且又簡單，其表達式如式 (7)所示。

2 J積分理論

J積分是Rice于1968年提出的。J積分是一個定義明確、理論嚴密的應力應變場參量，它不僅適用于線彈性的斷裂分析，也適用于彈塑性的斷裂分析，且又易于實驗測定。此外，J積分還具有與積分路徑無關的特點，故可避開對裂紋尖端處極其復雜的應力應變場的分析。

2.1 J積分的圍線積分定義

在固體力學研究中，常利用一些具有守恒性質的線積分來分析裂紋周圍的應力、應變場強度。所謂守恒性，指的是積分結果與積分路徑沒有關系。在分析二維裂紋體裂尖區域的應力、應變場時，J積分就是這種具有守恒性質的線積分之一。雖然J積分的定義式是由Eshelby推出的，但Rice首先認識到它在斷裂力學上的應用。如圖1所示，一穿透裂紋板，裂紋表面無載荷作用，但外力使裂紋產生了應力、應變場，則J積分的圍線積分定義為

圖1 J積分的積分路徑

式中 Γ——自裂紋下表面任意一點按逆時針方向圍繞裂紋尖端到裂紋上表面任一點的積分路徑；

ds——回路Γ上的弧元素；

Tx、Ty——弧元素ds上的應力分量；

u、v——弧元素ds上的位移分量；

W——應變能密度。

2.2 能量定義式

根據J積分的圍線積分定義式可以證明：在彈性階段，J積分就是應變能釋放率G。所以至少在彈性階段，J積分具有明確的物理意義，即J積分是裂紋擴展單位面積時含裂紋體所釋放的能量。

對于彈塑性階段，可近似用形狀和約束條件相同、分別具有相近裂紋長度a和a+Δa的兩個二維含裂紋構件，在相同外載下產生的單位厚度總勢能

的差異，作為彈塑性J積分的能量定義式。所以在從彈性到全面屈服整個變形階段，J積分的能量定義式可表示為

式中 B——試件厚度，mm；

Π——總勢能，Π=U-W，J；

U——應變能，J；

W——外力功，J。

J積分的能量定義式揭示了J積分的物理意義，將J積分值與宏觀可測參量聯系起來，對J積分的實驗測試和解析分析都有重要意義。

3 應力強度因子和J積分的計算步驟

應力強度因子和J積分計算都是借助于軟件ANSYS 14.0。下面具體介紹在軟件ANSYS 14.0中的應力強度因子和J積分的計算方法。

為了計算應力強度因子和J積分，首先要建立斷裂模型。其模型分為兩種：2-D和3-D斷裂模型。

3.1 2-D斷裂模型

這里以三角形6節點實體單元PLANE 42為例作一介紹。在裂紋尖端的第一排單元應該是奇異的，如圖2所示。在斷裂模型中，KSCON是特別有用的，其作用是指定一個關鍵點處的單元劃分尺寸，它能在特定關鍵點處自動產生奇異單元；同時它還控制周向的第一排單元的半徑和數量。圖3是借助于KSCON命令產生的斷裂模型。其它的斷裂模型應遵循以下原則：

圖2 2-D奇異單元

圖3 2-D有限元模型

(1)充分考慮對稱性，在一些情況下，對稱和反對稱的斷裂模型只需建立模型裂紋區域的一半，如圖4所示。

(2)考慮到結果的合理性，在裂紋尖端周圍的第一排單元半徑應該為裂紋長度的1/8；在周向，每隔30°劃分一個單元。

圖4 對稱模型和反對稱模型

(3)裂紋尖端單元不應該扭曲。

3.2 3-D斷裂模型

這里以六面體20節點單元SOLID 95為例作一介紹。在裂紋前沿的第一排單元應該為奇異單元，如圖5所示。在創建3-D斷裂模型中，創建2-D模型的KSCON命令不再使用，而是遵循以下原則：

圖5 3-D奇異單元

(1)2-D斷裂模型中的單元尺寸同樣適用于3-D斷裂模型。

(2)就曲線裂紋前沿而言，裂紋前沿的單元尺寸主要取決于局部曲線的數量；一般來說，沿裂紋前沿每隔15°到30°創建一個單元。

3.3 斷裂參量的計算方法

首先進行靜態分析，然后使用POST 1計算斷裂參數。

3.3.1 應力強度因子

進行應力強度因子計算可按以下幾個步驟進行。

（1）定義局部裂紋尖端或裂紋前沿坐標系，X軸平行于裂紋面 (在3-D模型中，X軸垂直于裂紋前沿)，同時Y軸垂直于裂紋面，如圖6所示。具體命令如下：

Utility menu＞ WorkPlane＞ Local Coordinate Systems＞Create Local CS＞At Specified Loc

圖6 裂紋尖端或裂紋前沿坐標

（2）沿裂紋面定義路徑，第一個路徑節點是裂紋尖端點。對半裂紋模型而言，需要兩個沿著裂紋面的節點；對包括兩個裂紋面的全模型而言，需要四個沿著裂紋面的節點，其中兩個節點沿著一個裂紋面，另兩個節點沿著另一個裂紋面，如圖7所示。具體命令如下：

圖7 半裂紋模型和全裂紋模型

Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Define Path

（3）計算應力強度因子KⅠ、KⅡ、KⅢ。具體命令如下：

Main Menu＞General Postproc＞Nodal Cals＞Stress Int Factr

3.3.2 J積分

J積分是一種測量裂紋尖端附近的奇異應力和奇異應變而與路徑無關的線積分。進行J積分計算可按以下幾個步驟進行。

(1)讀所需結果。具體命令如下：

GUI：Main Menu＞General Postproc＞Read Results＞First Set

(2)保存每個單元的體積和應變能。具體命令如下：

Main Menu＞General Postproc＞Element Table＞Define Table

(3)計算每個單元的應變能密度。具體命令如下：

Main Menu＞General Postproc＞Element Table＞Exponentiate

(4)定義線積分路徑，見圖8。具體命令如下：

Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Define Path

圖8 J積分計算路徑

(5)將上述第 (3)項計算出的應變能密度映射到積分路徑上。具體命令如下：

Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Map onto Path

(6)對y進行積分。具體命令如下：

Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Integrate

(7)將積分值賦給一個參數J。具體命令如下：

Utility Menu＞Parameters＞Get Scalar Data

(8)將應力分量SX、SY和SXY映射到路徑上。具體命令如下：

Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Map onto Path

(9)定義路徑單位法向矢量。具體命令如下：

Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Unit Vector

(10)計算式 (8)中的Tx、Ty。具體命令如下：

Main Menu＞General Postproc＞Path Operations＞Operation

(11)為便于計算位移矢量的導數，將積分路徑向X正向或負向平移一小段距離。具體分為四個部分：

①計算路徑平移的距離，如DX。一般而言，DX取路徑總長度的1%；而路徑總長度可以通過該命令獲得。該命令為*Get,Name,Path,Last,S

②將積分路徑沿X負方向平移DX/2的距離，并將位移UX和UY映射到路徑上，如UX1、UY1。

③將積分路徑沿X正向平移DX的距離，并將位移UX和UY映射到路徑上，如UX2、UY2。

④將積分路徑平移到原始位置，并借助于命令PCALC計算出 (UX2-UX1)/DX和 (UY2-UY1) /DY。

(12)借助于上述第(10)項和第(11)項對式(8)的第二部分的路徑S進行積分，計算出第二部分的值。

(13)根據式 (8)，同時借助于第 (5)項至第(7)項和第 (12)項計算出J積分值。

4 應力強度因子和J積分的計算

4.1 二維中心裂紋板

問題描述：有一具有中心裂紋的長板，如圖9所示。其中，裂紋板寬 2b=250 mm，高度 2h=1 mm，裂紋寬度2a=50 mm，板厚t=6.25 mm，E= 68 950 MPa，ν=0.3，σ0=0.003 9 MPa。因為符合平面應變情況，可認為是二維平板。

圖9 二維中心裂紋板

經手工計算，可求得二維應力強度因子和J積分值分別為0.036 1 MPa·mm0.5和0.549 MPa·mm。而借助軟件ANSYS求得的應力強度因子和二維J積分的值分別為 0.036 5 MPa·mm0.5和 0.583×10-7MPa·mm。

(1)設定σ0=6.895 MPa，保持其它條件不變，只改變裂紋尺寸，可以得到圖10、圖11所示的變化曲線。

(2)設定裂紋尺寸2a=250 mm，保持其它條件不變，只改變應力值，可以得到圖12、圖13所示的變化曲線。

從圖10、圖11可以看出，對于中心穿透裂紋來說，二維應力強度因子值和J積分值都與裂紋尺寸成拋物線關系，與實際規律基本吻合。

圖10 應力強度因子隨裂紋尺寸的變化曲線

圖11 J積分隨裂紋尺寸的變化曲線

從圖12、圖13可以看出，二維應力強度因子值與應力值成正比，而J積分值與應力值成拋物線關系，與實際規律基本吻合。

圖12 應力強度因子隨應力的變化曲線

4.2 三維圓裂紋柱體

問題描述：有一具有中心圓裂紋的圓柱體及其網格，如圖14所示。其中，圓柱體半徑，高度2h= 250 mm，E=68 950 MPa·mm，ν=0.3，σ0=8.274 MPa，r=10 mm，σ0不變，見圖 15，r不變，見圖16。從圖15可以看出，三維應力強度因子值與裂紋尺寸大小關于x軸成拋物線關系，與實際規律基本吻合。從圖16可以看出，三維應力強度因子值與應力值成正比例關系，與實際規律基本吻合。

圖13 J積分隨應力的變化曲線

圖14 含中心圓裂紋的圓柱體及1/4柱體有限元網格

圖15 應力強度因子隨裂紋尺寸的變化曲線

5 結論

通過二維中心裂紋板、三維圓裂紋柱體等應力強度因子與J積分的計算表明，本文推薦的應力強度因子和J積分的計算步驟與實際的二維應力強度因子值、三維應力強度因子值及二維J積分值是一致的。因此，本文推薦的應力強度因子和J積分計算方法是合理的。基于此，通過本文確定的應力強度因子與J積分可以作為壓力容器及管道缺陷的評定方法之一。

圖16 應力強度因子隨應力的變化曲線

[1]Irwin G R.Analysis of stresses and strains near the end of a crack transversing a plate [J].Journal of Applied Mechanics，1957，24：361-364.

[2]Wells A A.Application of fracture mechanics at the beyond general yielding[J].British Welding Journal，1963，10：563-570.

[3]Rice J R.A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks[J]. J Appl Mech,1968,35：379-386.

[4]李國成.壓力容器缺陷評定技術基礎 [M].東營：中國石油大學出版社，1994.

The Application of ANSYS in Defect Assessment of Pressure Vessels and Pipelines

Wu Longping Wang Wenna Ming Feiqing Jiang Shan Zhang Zhiqiang Zhao Yue

Firstly,introduced the common methods for defect assessment of pressure vessels and pipelines, including stress intensity factor method and J-integral method.Secondly,illustrated the general steps of defect assessment for pressure vessels and pipelines by using ANSYS software.Finally,calculated the stress intensity factor and J-integral of two-dimensional and three-dimensional cracks,and compared the values with that from manual calculation.The results showed that the defect assessment of pressure vessels and pipelines with ANSYS software was safe and reliable.

Pressure vessel;Pipeline;Stress intensity factor;J-integral;Fracture model;Crack tip

TQ 050.1

2013-12-04）

*吳龍平，男，1979年生，工學碩士，高級工程師。廊坊市，065000。