使用扩张有限元法对钢制压力容器跟管道的塑性

使用扩张有限元法对钢制压力容器和管道的塑性破坏及裂纹行为进行有限

元分析

摘要：本文旨在采用扩展有限元法（XFEM）研究钢制压力容器和管道的塑性破坏及裂纹行为。首先，对钢瓶在内压力作用下的塑性极限载荷进行了预测，其数值结果与实验数据进行比较。此外，计算效率和精度，采用不同的方法包括扩展有限元法，非线性稳定分析算法以及弧长算法并进行了比较。特别是对不同的初始裂纹结构，单元尺寸，初始损伤的影响以及裂纹行为扩展准则进行了研究。第二，对由于在滑坡区偏转的埋地管道的裂纹萌生和扩展特性进行了探讨，并对数值结果在测试数据和当前的研究之间进行了比较。此外，对内部压力，壁厚，土壤性质的影响以及埋地管道的临界挠度位移的滑坡区宽度进行了研究。本研究对安全性评价和加压结构寿命预测提供了基础支持。 关键词：扩展有限元法；裂纹萌生和扩展；故障分析；塑性破坏

符号说明

a裂纹深度

D/t 比值直径与厚度比值

E 杨氏模量

G 能量释放率

GIC, GIIC,GIIIC三断模式裂能量释放率

GC 基于混合模式标准的临界等效能量释放率

L裂纹长度

Pi内压力

Rm抗拉强度

Umax轴向最大挠度位移

σmaxps最大主应力作为初始损伤准则

介绍

在复杂载荷作用下的弹塑性金属结构的塑性破坏载荷和裂纹行为的预测一直是具有挑战性的主题。在一般情况下，塑性极限载荷可以被定义为在无负载增加下的无限的塑性变形。在工程中，它经常被用来确定压力容器和管道的极限承载能力。

此前，刘等人，郑等人，和徐等人用弹塑性有限元方法和损伤力学精确地预测钢和复合压力容器的塑性破坏荷载。然而，对高损伤容限性能的材料，塑性坍塌的外表并不表明加压结构承载能力完全消失，但反映了应变软化阶段或宏观损伤过程的出现，通常是代表裂纹萌生和扩展。由于加压设备在裂纹扩展到临界值之前的很长一段时间可以保留足够的剩余强度，在只考虑塑性极限载荷情况的设计过程中会浪费物质资源。现在，随着损伤容限设计理念的推广，如何利用剩余强度预测宏观损伤过程的裂纹行为已经引起越来越多的关注。到目前为止，一些先进的数值方法，例如内聚力模型，虚拟裂纹闭合技术（VCCT）和扩展有限元法（XFEM）的出现，越来越多地被应用到裂纹问题的模拟。Siegmund , Roe and Siegmund , and Bouvard等使用内聚力理论预测简单试样