钢管断裂模型有限元分析

张慧云

（山西工程职业技术学院， 山西 太原 030009）

随着现代工业飞速发展，大型钢管结构不断出现并广泛应用于航空、航天、航海、兵器、机械、化工、土木、能源、交通和城市公用工程等行业和部门中。伴随着其广泛应用，钢管的可靠性和安全性引起人们越来越多的关注，断裂和缺陷问题广泛存在于众多领域。2000年，JZ20-2中南平台井排空管线疲劳断裂导致天然气泄漏；2001年，川南宜宾地区一240m跨度的中承式拱桥一小南门大桥北端第一对短吊杆断裂，约10 m长行车道板连同一辆公交大巴和一辆中巴先后坠入江中。分析这些事故的原因，发现断裂是由于裂纹的不稳定扩展引起的，而且工程构件常见的裂纹有很大一部分并不致使工程构件直接报废，进行合理修补之后仍旧有很强使用价值。从节能、经济角度考虑，对有缺陷的构件进行维修非常重要。

1 含表面裂纹3-D管道应力有限元分析

模型管道尺寸：管长4 m，外径0.35 m，管壁厚2.2 cm。含表面裂纹管道模型图见图1。

1.1 有限元模型建立

网格划分：模型整体采用自由网格划分，采用单元SOLID95单元。SOLID95单元是由20个节点定义的体单元。模型材料参数定义命令流如下[1-2]：

ET,1,SOLID95

MP， EX，， 2E11

MP， NUXY，， 0.33

网格划分命令流如下：

MSHAPE，1,3D

MSHKEY，0

SMRTSIZE，4

VMESH，3

划分网格后的模型如图2所示。

图1 含表面裂纹管道模型图

图2 含表面裂纹管道模型网格划分裂纹局部图

1.2 ANSYS计算结果输出与整理

加载方案：将模型管道一端界面完全约束，另一截面加均布拉力，大小为50 MPa。

求解结果，如图3所示。从图3中可以看出表面裂纹附近应力显著增高。

2 含贯穿裂纹3-D管道应力及修补效果有限元分析

2.1 含贯穿裂纹3-D管道应力有限元分析

2.1.1 有限元模型建立

模型建立方法为：画出裂纹的上下表面，在这个模型中，裂纹的上下表面是重合的。尺寸与含表面裂纹模型相同，如图4所示。

图3 含表面裂纹管道模型裂尖Von Mises应力

图4 含贯穿裂纹管道模型图

网格划分：模型整体依旧采用自由网格划分，采用SOLID95单元。材料参数定义命令流如下[3]：

ET， 1， SOLID95

MP， EX，， 2E11

MP， NUXY，， 0.33

网格划分命令流如下：

MSHAPE， 1，3D

MSHKEY，0

VMESH，ALL

划分网格后的模型如图5所示。

2.1.2 ANSYS计算结果输出与整理

加载方案：将模型管道一端截面完全约束，另一截面加均布拉力，大小为50 MPa。

求解结果从图6可以看出[4]，贯穿裂纹附加应力显著增加。

图5 含贯穿裂纹管道模型网格划分图

图6 含贯穿裂纹管道模型裂尖Von Mises应力

2.2 模型裂纹贴片修补

为了延长管状构件使用寿命，必须对含缺陷构件进行更换或者修理。传统的修复钢结构疲劳裂纹的方法通常是裂纹打磨或水下补焊，裂纹打磨只适合于较浅的表面裂纹，而水下补焊会对原有结构产生损伤和附加应力。补片胶接修理技术是一项经济而有效的结构延寿方法。国内外在胶接修理技术方面已取得很大成功，并继续开展相关技术研究及其推广应用[5]。

近年来，随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析方法在工程设计和分析中得到了越来越广泛的应用，它已经成为解决复杂工程计算问题的有效途径，采用数值模拟、利用有限元软件仿真来验证贴片的修复效果是一种可行而又高效的方法。本文建立了裂纹修补问题的三维有限元模型，通过对模型的静力分析、计算、对比评估修补效果。

2.2.1 管道裂纹修补方案有限元模型建立

贴片修补法，在修补失效之前补片和构件是完全黏结的。针对这一情况，考虑补片与构件黏结良好的情况，即完全黏结、没有相对滑动。所以这里把构件贴片模型简化，忽略补片与构件之间胶层。

补片厚度为0.1 cm，修补后模型如图7。

使用主要命令：VGLUE

网格划分及材料设置与模型修补与之前相同，如图8所示。

图7 含贯穿裂纹管道模型贴片修补模型

图8 含贯穿裂纹管道模型贴片网格划分局部

2.2.2 修补后模型ANSYS计算结果输出与整理

加载方案与模型修补之前相同。求解结果如图9所示。

图9 含贯穿裂纹管道模型修补后补片附近Von Mises应力

比较图9和图6可以发现，修补之后，裂纹附近应力明显降低。

3 结论

1）对于含不同类型的裂纹构件，在受到载荷时裂纹尖端都是应力集中的地方，一般都是疲劳失效最先发生的地方；

2）修补后裂纹附近应力集中明显减弱。

[1]王呼佳，陈洪军.ANSYS工程分析进阶实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006：17-75．

[2]张朝晖.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2008：520-537.

[3]杨庆生，杨卫.断裂过程的有限元模拟[J].计算力学学报，1997，14（4）：407-412.

[4]刘涛，杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京：清华大学出版社，2002：107-114.

[5]陈团海，陈国明，林红，等.海洋平台含裂纹管节点CFRP修复效果仿真研究[J].石油机械，2006，36（10）：1-4.