壓力管道缺陷仿真研究

蔡佳寶 王海波

(吉林化工學院機電工程學院，吉林 吉林市132022)

近年來采用有限元法分析壓力管道出現裂紋的問題，愈來愈受專業人士的關注與認同。李剛借助ANSYS軟件，對裂紋尖端周遭的應力應變場展開仿真，獲取在內壓狀況下，壓力管道中的內表面出現的軸向裂紋所具備的應力強度因子值。比如生活中最常見的液化天然氣儲存。我們經常會看到這些易燃氣體在壓力管道中輸送，由于不正當的操作或者壓力容器的老化，會發生很多安全事故[1-2]，在全面考量壓力管道裂紋尖端周遭奇異性的狀況下，陳愛軍借助有限元位移法，同有關應力法相結合展開運算，從而獲取在壓力比較大的狀況下，壓力管道的裂紋尖端周遭，所具備的應力強度因子[3-4]，曹國俊對彎管出現軸向內表面裂紋的狀況展開分析，而從成龍等研究者對彎管產生環向內表面裂紋的狀況展開分析，通過運算獲取在彎矩以及內壓同時影響下，彎管具備的全塑性J積分，還有斷裂參量k，這對應力強度因子的運算缺陷予以補足，而且對一些J積分全塑性解的運算缺陷展開補充。

這些年英國對于部分壓力管道損壞展開調研與統計實驗分析，從而得知在所有壓力管道損壞的事故當中，部分是因為裂紋的作用造成的，至于其它因素則包含運用不合理，蠕變或者生產缺陷等諸多方面，在總量當中的占比也是比較高的[5-6]。

上述研究均在壓力管道厚度方向上進行應力場的仿真，主要對于不同深度和寬度裂紋的研究，本文主要在壓力管道不同深度的寬度的基礎上，利用不同裂紋在不同溫度和載荷的情況下進行研究。

1幾何模型

建立分析模塊后，需要將簡化后的三維模型導入。本文在建模型時，已經對過渡圓角以及倒角等對受力影響很小的結構進行了簡化，將其忽略，從而便于后續網格劃分，提高計算效率。

2添加邊界條件

為最大限度還原模型在實際工況下的受力，需要對模型添加各類邊界條件。首先為防止模型發生剛體位移，同時模擬實際裝配環境，需要對模型添加位移約束，該位移約束將模型的y、z2個方向的自由度約束，釋放x方向自由度。

3邊界條件和物性參數

對模型內表面添加壓強載荷，該壓強值會隨著工況的變化而產生變化，之后，為對不同溫度載荷下的裂紋特征進行分析，需要進行熱力耦合。對模型整體添加溫度載荷，該溫度載荷數值也會隨著工況的變化而產生相應的變化。

3.1材料設置與網格劃分

本文模型的主要材料是鋼材，彈性模量200000 MPa，泊松比0.3，密度7850 kg/m3，對將模型整體網格尺寸設置為10 mm，將網格劃分方法設置為四面體法，模型所對應的節點數量為269215，單元數量為132598，網格較為密集，滿足分析精度要求。

3.2裂紋特征的添加

通過局部坐標系的建立，來對裂紋特征進行配置，通過不同的裂紋特征設置，可以實現多種裂紋的建立，從而對帶有裂紋特征的模型進行分析。

4模擬分析結果

將載荷設置為0.3 MPa，溫度分別設置為-22 ℃、0 ℃、20 ℃以及40 ℃，來對模型的裂紋特征進行分析，設置完成后，提交計算，得到對應的等效應力與總位移云圖如圖1所示。

圖1應力與總位移云圖

5模擬分析結果

組合工況裂紋特征分析，將溫度與夾角分別設置為20 ℃ 15°、40 ℃ 30°、60 ℃ 45°及80 ℃ 60°，設置完成后，計算得到裂紋K1、K2、K3因子云圖如圖2所示。

圖2裂紋K1、K2、K3因子云圖

從分析結果可看出，隨著角度與溫度的同時變化，模型的結果數據也呈現出不規律變化。結合之前所做分析得到的結論可知，溫度變高會使得結果數據變大，而夾角變大會引起結果數據變小。當溫度與角度同時變大時，所產生的的結果數據先增大后減小，這說明角度變化對結果數據的影響要大于溫度變化的影響。