压力管道缺陷仿真研究

蔡佳宝 王海波

(吉林化工学院机电工程学院，吉林 吉林市132022)

近年来采用有限元法分析压力管道出现裂纹的问题，愈来愈受专业人士的关注与认同。李刚借助ANSYS软件，对裂纹尖端周遭的应力应变场展开仿真，获取在内压状况下，压力管道中的内表面出现的轴向裂纹所具备的应力强度因子值。比如生活中最常见的液化天然气储存。我们经常会看到这些易燃气体在压力管道中输送，由于不正当的操作或者压力容器的老化，会发生很多安全事故[1-2]，在全面考量压力管道裂纹尖端周遭奇异性的状况下，陈爱军借助有限元位移法，同有关应力法相结合展开运算，从而获取在压力比较大的状况下，压力管道的裂纹尖端周遭，所具备的应力强度因子[3-4]，曹国俊对弯管出现轴向内表面裂纹的状况展开分析，而从成龙等研究者对弯管产生环向内表面裂纹的状况展开分析，通过运算获取在弯矩以及内压同时影响下，弯管具备的全塑性J积分，还有断裂参量k，这对应力强度因子的运算缺陷予以补足，而且对一些J积分全塑性解的运算缺陷展开补充。

这些年英国对于部分压力管道损坏展开调研与统计实验分析，从而得知在所有压力管道损坏的事故当中，部分是因为裂纹的作用造成的，至于其它因素则包含运用不合理，蠕变或者生产缺陷等诸多方面，在总量当中的占比也是比较高的[5-6]。

上述研究均在压力管道厚度方向上进行应力场的仿真，主要对于不同深度和宽度裂纹的研究，本文主要在压力管道不同深度的宽度的基础上，利用不同裂纹在不同温度和载荷的情况下进行研究。

1几何模型

建立分析模块后，需要将简化后的三维模型导入。本文在建模型时，已经对过渡圆角以及倒角等对受力影响很小的结构进行了简化，将其忽略，从而便于后续网格划分，提高计算效率。

2添加边界条件

为最大限度还原模型在实际工况下的受力，需要对模型添加各类边界条件。首先为防止模型发生刚体位移，同时模拟实际装配环境，需要对模型添加位移约束，该位移约束将模型的y、z2个方向的自由度约束，释放x方向自由度。

3边界条件和物性参数

对模型内表面添加压强载荷，该压强值会随着工况的变化而产生变化，之后，为对不同温度载荷下的裂纹特征进行分析，需要进行热力耦合。对模型整体添加温度载荷，该温度载荷数值也会随着工况的变化而产生相应的变化。

3.1材料设置与网格划分

本文模型的主要材料是钢材，弹性模量200000 MPa，泊松比0.3，密度7850 kg/m3，对将模型整体网格尺寸设置为10 mm，将网格划分方法设置为四面体法，模型所对应的节点数量为269215，单元数量为132598，网格较为密集，满足分析精度要求。

3.2裂纹特征的添加

通过局部坐标系的建立，来对裂纹特征进行配置，通过不同的裂纹特征设置，可以实现多种裂纹的建立，从而对带有裂纹特征的模型进行分析。

4模拟分析结果

将载荷设置为0.3 MPa，温度分别设置为-22 ℃、0 ℃、20 ℃以及40 ℃，来对模型的裂纹特征进行分析，设置完成后，提交计算，得到对应的等效应力与总位移云图如图1所示。

图1应力与总位移云图

5模拟分析结果

组合工况裂纹特征分析，将温度与夹角分别设置为20 ℃ 15°、40 ℃ 30°、60 ℃ 45°及80 ℃ 60°，设置完成后，计算得到裂纹K1、K2、K3因子云图如图2所示。

图2裂纹K1、K2、K3因子云图

从分析结果可看出，随着角度与温度的同时变化，模型的结果数据也呈现出不规律变化。结合之前所做分析得到的结论可知，温度变高会使得结果数据变大，而夹角变大会引起结果数据变小。当温度与角度同时变大时，所产生的的结果数据先增大后减小，这说明角度变化对结果数据的影响要大于温度变化的影响。