鋼管斷裂模型有限元分析

張慧云

（山西工程職業技術學院， 山西 太原 030009）

隨著現代工業飛速發展，大型鋼管結構不斷出現并廣泛應用于航空、航天、航海、兵器、機械、化工、土木、能源、交通和城市公用工程等行業和部門中。伴隨著其廣泛應用，鋼管的可靠性和安全性引起人們越來越多的關注，斷裂和缺陷問題廣泛存在于眾多領域。2000年，JZ20-2中南平臺井排空管線疲勞斷裂導致天然氣泄漏；2001年，川南宜賓地區一240m跨度的中承式拱橋一小南門大橋北端第一對短吊桿斷裂，約10 m長行車道板連同一輛公交大巴和一輛中巴先后墜入江中。分析這些事故的原因，發現斷裂是由于裂紋的不穩定擴展引起的，而且工程構件常見的裂紋有很大一部分并不致使工程構件直接報廢，進行合理修補之后仍舊有很強使用價值。從節能、經濟角度考慮，對有缺陷的構件進行維修非常重要。

1 含表面裂紋3-D管道應力有限元分析

模型管道尺寸：管長4 m，外徑0.35 m，管壁厚2.2 cm。含表面裂紋管道模型圖見圖1。

1.1 有限元模型建立

網格劃分：模型整體采用自由網格劃分，采用單元SOLID95單元。SOLID95單元是由20個節點定義的體單元。模型材料參數定義命令流如下[1-2]：

ET,1,SOLID95

MP， EX，， 2E11

MP， NUXY，， 0.33

網格劃分命令流如下：

MSHAPE，1,3D

MSHKEY，0

SMRTSIZE，4

VMESH，3

劃分網格后的模型如圖2所示。

圖1 含表面裂紋管道模型圖

圖2 含表面裂紋管道模型網格劃分裂紋局部圖

1.2 ANSYS計算結果輸出與整理

加載方案：將模型管道一端界面完全約束，另一截面加均布拉力，大小為50 MPa。

求解結果，如圖3所示。從圖3中可以看出表面裂紋附近應力顯著增高。

2 含貫穿裂紋3-D管道應力及修補效果有限元分析

2.1 含貫穿裂紋3-D管道應力有限元分析

2.1.1 有限元模型建立

模型建立方法為：畫出裂紋的上下表面，在這個模型中，裂紋的上下表面是重合的。尺寸與含表面裂紋模型相同，如圖4所示。

圖3 含表面裂紋管道模型裂尖Von Mises應力

圖4 含貫穿裂紋管道模型圖

網格劃分：模型整體依舊采用自由網格劃分，采用SOLID95單元。材料參數定義命令流如下[3]：

ET， 1， SOLID95

MP， EX，， 2E11

MP， NUXY，， 0.33

網格劃分命令流如下：

MSHAPE， 1，3D

MSHKEY，0

VMESH，ALL

劃分網格后的模型如圖5所示。

2.1.2 ANSYS計算結果輸出與整理

加載方案：將模型管道一端截面完全約束，另一截面加均布拉力，大小為50 MPa。

求解結果從圖6可以看出[4]，貫穿裂紋附加應力顯著增加。

圖5 含貫穿裂紋管道模型網格劃分圖

圖6 含貫穿裂紋管道模型裂尖Von Mises應力

2.2 模型裂紋貼片修補

為了延長管狀構件使用壽命，必須對含缺陷構件進行更換或者修理。傳統的修復鋼結構疲勞裂紋的方法通常是裂紋打磨或水下補焊，裂紋打磨只適合于較淺的表面裂紋，而水下補焊會對原有結構產生損傷和附加應力。補片膠接修理技術是一項經濟而有效的結構延壽方法。國內外在膠接修理技術方面已取得很大成功，并繼續開展相關技術研究及其推廣應用[5]。

近年來，隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析方法在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的應用，它已經成為解決復雜工程計算問題的有效途徑，采用數值模擬、利用有限元軟件仿真來驗證貼片的修復效果是一種可行而又高效的方法。本文建立了裂紋修補問題的三維有限元模型，通過對模型的靜力分析、計算、對比評估修補效果。

2.2.1 管道裂紋修補方案有限元模型建立

貼片修補法，在修補失效之前補片和構件是完全黏結的。針對這一情況，考慮補片與構件黏結良好的情況，即完全黏結、沒有相對滑動。所以這里把構件貼片模型簡化，忽略補片與構件之間膠層。

補片厚度為0.1 cm，修補后模型如圖7。

使用主要命令：VGLUE

網格劃分及材料設置與模型修補與之前相同，如圖8所示。

圖7 含貫穿裂紋管道模型貼片修補模型

圖8 含貫穿裂紋管道模型貼片網格劃分局部

2.2.2 修補后模型ANSYS計算結果輸出與整理

加載方案與模型修補之前相同。求解結果如圖9所示。

圖9 含貫穿裂紋管道模型修補后補片附近Von Mises應力

比較圖9和圖6可以發現，修補之后，裂紋附近應力明顯降低。

3 結論

1）對于含不同類型的裂紋構件，在受到載荷時裂紋尖端都是應力集中的地方，一般都是疲勞失效最先發生的地方；

2）修補后裂紋附近應力集中明顯減弱。

[1]王呼佳，陳洪軍.ANSYS工程分析進階實例[M].北京：中國水利水電出版社，2006：17-75．

[2]張朝暉.ANSYS11.0結構分析工程應用實例解析[M].北京：機械工業出版社，2008：520-537.

[3]楊慶生，楊衛.斷裂過程的有限元模擬[J].計算力學學報，1997，14（4）：407-412.

[4]劉濤，楊鳳鵬.精通ANSYS[M].北京：清華大學出版社，2002：107-114.

[5]陳團海，陳國明，林紅，等.海洋平臺含裂紋管節點CFRP修復效果仿真研究[J].石油機械，2006，36（10）：1-4.