CN114564860A - 含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法 - Google Patents

含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法 Download PDF

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李毅
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Abstract

本发明公开了含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法，步骤1、几何模型建立及材料属性设置步骤；步骤2、裂纹及边界载荷设置步骤；步骤3、单元网格划分及输出值设置步骤；步骤4、任务提交求解并进行后期有限元的验证；通过本发明能提供了计算含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的简便方法，为工程中实时获得裂纹尖端应力强度因子提供方法，能为计算应力强度因子值提供一种新的思路。

Description

含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，涉及含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法。
背景技术
世界各国的石油及天然气运输主要依靠油气管道输送，管道普遍存在一定数量的较严重缺陷，每年因腐蚀，裂纹和机械损伤等造成的事故十分频繁，泄漏与爆炸事故时有发生，因此，提高对事故的预测能力是实现安全高效输油输气的关键，裂纹尖端的应力强度因子是判断管道断裂的标准之一，因此计算带缺陷管道的应力强度因子十分必要，目前对于环焊缝中的“裂纹+错边”复合缺陷的应力强度因子还没有相应的计算公式，本发明探讨了环焊缝中的裂纹与错边复合缺陷的应力强度因子的计算。
发明内容
本发明的目的是提供含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法，解决了对接管道含“错边+裂纹”复合缺陷裂纹尖端应力强度因子在现有条件下无法计算的问题。
本发明所采用的技术方案是，含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法，具体按以下步骤实施：
步骤1、含错边管道对接环焊缝几何模型的建立及截面属性的设置；
步骤2、预裂的纹定义及分析步设置；
步骤3、载荷、边界条件及输出设置；
步骤4、任务提交求解及后处理。
本发明的特点还在于：
其中步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、利用三维造型软件或有限元软件分别对裂纹体与非裂纹体进行模型建立，并将其合并为整体的几何模型；
步骤1.2、利用软件定义圆管及焊缝材料的力学性能参数，并将材料参数分别赋予相应结构部位，并将材料参数分别赋予相应结构部位；
其中步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、创建分析步，选用静力通用模式并且编辑分析步的增量，设置最小和最大增量步；
步骤2.2、插入裂纹，选择指定裂纹面来插入裂纹，随后选择裂纹面的法向与扩展方向；
步骤2.3、对管道结构施加载荷和约束，首先在管道的左端面施加全方位固定约束，然后对管道施加内压及轴向载荷时选用pressure载荷类型；
其中步骤2.2具体为，通过工具栏中的spceial中插入crack，通过设置assignseam选择指定裂纹面来插入裂纹，将裂纹附近区域与管道其余区域建立在两个不同的part中，再通过Assembly将这两部分独立装配起来，成为一个完整的管道；再接着采用Tie绑定的方式将裂纹部分的part和管道其余部分的part连接起来；
其中步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、对裂尖部分利用singularity进行设置；
步骤3.2、设置场输出及历史输出时，选取尖端附近数条路径进行积分求解；积分路径是根据裂纹附近的节点进行选取，围线积分数设为10条，输出参数选择应力强度因子Stress intensity factor，裂纹准则选用最大能量释放率；
其中步骤3.1具体为，对于裂尖部分，需要利用singularity将Midside nodeparameter的值进行修改，即将中间节点在单元边上1的位置改变；
其中步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、提交并求解应力强度因子的值，通用基于有限元软件基于围线积分法以表征裂纹尖端应变集中特征的平均参量，围线积分的二维表达式：
Figure BDA0003471800110000031
式中，Γ为积分路径；W为积分回路上任意点应变能/J；Sij为该点对应偏张量；n为Γ回路上沿外法线方向的单位矢量；
且在线弹性情况下，J积分可以表示为裂纹扩展了单位面积时释放出的能量，即能量释放率G，同时可以与应力强度因子KI有如下关系：
Figure BDA0003471800110000032
式中，E为材料的弹性模量/GPa；ν为材料的泊松比；
步骤4.2、在读取有限元计算结果时，等模型计算结果收敛后读取第2到10条的积分路径计算结果，取其平均值；
步骤4.3、根据应力强度因子手册，管道受到的均匀拉伸应力σ和裂纹前缘的应力强度因子KI的大小为：
Figure BDA0003471800110000041
Figure BDA0003471800110000042
式中，FI为裂纹形状修正系数；F为轴向拉力/N；R0、Ri为管道外半径、内半径/mm；a为裂纹深度/mm；
步骤4.4、计算出该模型的裂纹尖端应力强度因子值，并与应力强度因子手册中的理论值进行比较，用以验证本研究采用的含缺陷管道有限元建模方法的可靠性。
本发明的有益效果是：
本发明的含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法得到了焊缝复合缺陷应力强度因子计算方法，为计算应力强度因子提供一种新的思路；可以更清晰的表征裂纹尖端附近区域应力应变分布状况，预判焊件在使用过程中失效位置，指导实际使用。
附图说明
图1是本发明含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法的实例中环焊缝管道对称模型示意图；
图2是本发明含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法的实例中裂纹位置示意图(左为内表面裂纹，右为埋藏裂纹)；
图3是本发明含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法的实例中裂纹区域设置示意图；
图4是本发明含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法的实例中载荷及约束施加示意图；
图5是本发明含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法的实例中结构有限元网格划分示意图；
图6是本发明含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法的实例中积分路径设置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、含错边管道对接环焊缝几何模型建立及截面属性设置：
步骤1.1、利用abaqus模块部件对圆管及焊缝建立三维实体模型，并将其合并为整体的几何模型；
步骤1.2、打开软件参数设定部分，选择力学属性，选弹力，设置好杨氏模量和泊松比，并将设定好的材料属性分别赋予相应结构部位；
步骤2、预裂纹定义及分析步设置：
步骤2.1、设置分析步，选择Static，General类型的分析步，设置合理的最小和最大增量步以保证足够多的计算步长，且尽可能的提升计算速度；
步骤2.2、通过工具栏中的spceial中插入crack，通过设置assign seam选择指定裂纹面来插入裂纹。指定裂纹前缘后，选择裂纹面的法向与扩展方向，此时裂纹相关设置已完成；
步骤2.3、对管道结构施加载荷和约束，首先在管道的左端面施加全方位固定约束，然后对管道施加内压及轴向载荷时选用pressure载荷类型，内压根据管道壁厚不同，选择管道内表面施加不同大小的压力载荷；
步骤3、载荷、边界条件及输出设置：
步骤3.1、焊缝裂纹附近是重点分析部位，网格精度要求高，裂尖具有奇异性，需采用四分点退化而成的奇异单元；奇异单元是一种二次单元，但ABAQUS中没有这样可以直接使用的二次单元，需要利用singularity进行设置；管道的其余部分结构简单，对网格精度要求不高；
步骤3.2、设置场输出及历史输出时，选取尖端附近数条路径进行积分求解。积分路径是根据裂纹附近的节点进行选取，为了使结果更精确，围线积分数设为10条，输出参数选择应力强度因子Stress intensity factor，裂纹准则选用最大能量释放率；
步骤4、任务提交求解及后处理：
步骤4.1、提交并求解应力强度因子的值，在读取有限元计算结果时，等模型计算结果收敛后读取第2到10条的积分路径计算结果，取其平均值；
步骤4.2、根据应力强度因子手册，管道受到的均匀拉伸应力σ和裂纹前缘的应力强度因子KI的大小为：
Figure BDA0003471800110000061
Figure BDA0003471800110000062
其中，FI为裂纹形状修正系数；F为轴向拉力/N；R0、Ri为管道外半径、内半径/mm；a为裂纹深度/mm；
步骤4.3、计算出该模型的裂纹尖端应力强度因子值，并与应力强度因子手册中的理论值进行比较，用以验证本研究采用的含缺陷管道有限元建模方法的可靠性。
实施例
含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法，以某线天然气管道为例，其失效占比最大的就是环焊缝缺陷，管道材料使用的是外径为1422mm的X80管线钢；其中X80管线钢的力学性能如下表1：
表1
Figure BDA0003471800110000071
管道规格有17.8/21.4/25.7/30.8mm四种壁厚；壁厚17.8mm的管道运行内压为10Mpa，其余规格管道的运行内压为12Mpa；多种裂纹尺寸不同深宽比a/c及a/t的情况及埋藏裂纹考虑2a/t的情况如下表2：
表2
Figure BDA0003471800110000072
本实例采用的管道壁厚取21.4mm，管道外径1422mm，轴向拉伸载荷为166.5MPa，裂纹尺寸a/t取0.1/0.2/0.3/0.4/0.5来计算；
步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、利用abaqus模块部件对圆管及焊缝建立三维实体模型，根据圣维南定理，为了避免边界局部效应，选取管道长度为1600mm，并将建立的三维实体模型合并为整体的几何模型，由于此次分析均为对称分布，选取含裂纹管道的1/4部分作为计算模型(如图1所示)；
步骤1.2、打开软件参数设定部分，选择力学属性，选弹力，设置好弹性模量，泊松比以及材料密度，并将设定好的材料属性分别赋予相应结构部位；
步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、设置分析步，选择Static，General类型的分析步，设置分析总步长为10000步，初始步长为0.01，最大步长为0.1；
步骤2.2、通过工具栏中的spceial中插入crack，通过设置assign seam选择指定裂纹面来插入裂纹；指定裂纹前缘后，选择裂纹面的法向与扩展方向，此时裂纹相关设置已完成(如图2、图3所示)；
步骤2.3、为方便提升计算效率和后续研究，将裂纹附近区域与管道其余区域建立在两个不同的part中，再通过Assembly将这两部分独立装配(Independent instance)起来，成为一个完整的管道；再接着采用Tie绑定的方式将裂纹部分的part和管道其余部分的part连接起来；
步骤2.4、对管道结构施加载荷和约束，首先在管道的左端面施加全方位固定约束，确保计算过程中管道不会大幅度移动。内压根据管道壁厚不同，选择管道内表面施加不同大小的压力载荷；轴向拉伸载荷则是在轴向端面施加-166.5Mpa或-277.5Mpa(如图4所示)；
步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、本研究采用三维八节点线性六面体结构单元C3D8R，焊缝裂纹附近是重点分析部位，网格精度要求高，裂尖具有奇异性，需采用四分点退化而成的奇异单元；奇异单元是一种二次单元，但ABAQUS中没有这样可以直接使用的二次单元，需要利用singularity进行设置将Midside node parameter的值设为0.25，即将中间节点设置在单元边上1/4处；管道的其余部分结构简单，对网格精度要求不高(如图5所示)；
步骤3.2、设置场输出及历史输出时，选取尖端附近数条路径进行积分求解；积分路径是根据裂纹附近的节点进行选取，为了使结果更精确，围线积分数设为10条，输出参数选择应力强度因子Stress intensity factor，裂纹准则选用最大能量释放率，选取路径时，借助提前设置的辅助线进行节点选取，使选择路径更加规则(如图6所示)；
步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、提交并求解应力强度因子的值，在读取有限元计算结果时，等模型计算结果收敛后读取第2到10条的积分路径计算结果，取其平均值；
步骤4.2、将实例中的参数代入下式中进行计算，
Figure BDA0003471800110000091
Figure BDA0003471800110000092
其中，FI为裂纹形状修正系数；F为轴向拉力/N；R0、Ri为管道外半径、内半径/mm；a为裂纹深度/mm；
步骤4.3、将得到的有限元计算结果KI与应力强度因子手册中理论计算得到的结果进行比较；
有限元计算结果KI与应力强度因子手册中理论计算得到的结果如下表3所示：
表3
Figure BDA0003471800110000093
可以看出，计算结果贴合较好，计算误差最大不超过3％，计算精度高；可以认为本研究中建立的计算含裂纹管道的应力强度因子的有限元模型是可靠的。

Claims (7)

1.含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1、含错边管道对接环焊缝几何模型的建立及截面属性的设置；
步骤2、预裂的纹定义及分析步设置；
步骤3、载荷、边界条件及输出设置；
步骤4、任务提交求解及后处理。
2.根据权利要求1所述的含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：
步骤1.1、利用三维造型软件或有限元软件分别对裂纹体与非裂纹体进行模型建立，并将其合并为整体的几何模型；
步骤1.2、利用软件定义圆管及焊缝材料的力学性能参数，并将材料参数分别赋予相应结构部位，并将材料参数分别赋予相应结构部位。
3.根据权利要求1所述的含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法，其特征在于，所述步骤2具体按照以下步骤实施：
步骤2.1、创建分析步，选用静力通用模式并且编辑分析步的增量，设置最小和最大增量步；
步骤2.2、插入裂纹，选择指定裂纹面来插入裂纹，随后选择裂纹面的法向与扩展方向；
步骤2.3、对管道结构施加载荷和约束，首先在管道的左端面施加全方位固定约束，然后对管道施加内压及轴向载荷时选用pressure载荷类型。
4.根据权利要求3所述的含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法，其特征在于，所述步骤2.2具体为，通过工具栏中的spceial中插入crack，通过设置assignseam选择指定裂纹面来插入裂纹，将裂纹附近区域与管道其余区域建立在两个不同的part中，再通过Assembly将这两部分独立装配起来，成为一个完整的管道；再接着采用Tie绑定的方式将裂纹部分的part和管道其余部分的part连接起来。
5.根据权利要求1所述的含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：
步骤3.1、对裂尖部分利用singularity进行设置；
步骤3.2、设置场输出及历史输出时，选取尖端附近数条路径进行积分求解；积分路径是根据裂纹附近的节点进行选取，围线积分数设为10条，输出参数选择应力强度因子Stress intensity factor，裂纹准则选用最大能量释放率。
6.根据权利要求5所述的含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法，其特征在于，所述步骤3.1具体为，对于裂尖部分，需要利用singularity将Midside nodeparameter的值进行修改，即将中间节点在单元边上1的位置改变。
7.根据权利要求1所述的含错边管道对接环焊缝裂纹尖端应力强度因子的计算方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、提交并求解应力强度因子的值，通用基于有限元软件基于围线积分法以表征裂纹尖端应变集中特征的平均参量，围线积分的二维表达式：
Figure FDA0003471800100000021
式中，Γ为积分路径；W为积分回路上任意点应变能/J；Sij为该点对应偏张量；n为Γ回路上沿外法线方向的单位矢量；
且在线弹性情况下，J积分可以表示为裂纹扩展了单位面积时释放出的能量，即能量释放率G，同时可以与应力强度因子KI有如下关系：
Figure FDA0003471800100000031
式中，E为材料的弹性模量/GPa；ν为材料的泊松比；
步骤4.2、在读取有限元计算结果时，等模型计算结果收敛后读取第2到10条的积分路径计算结果，取其平均值；
步骤4.3、根据应力强度因子手册，管道受到的均匀拉伸应力σ和裂纹前缘的应力强度因子KI的大小为：
Figure FDA0003471800100000032
Figure FDA0003471800100000033
式中，FI为裂纹形状修正系数；F为轴向拉力/N；R0、Ri为管道外半径、内半径/mm；a为裂纹深度/mm；
步骤4.4、计算出该模型的裂纹尖端应力强度因子值，并与应力强度因子手册中的理论值进行比较，用以验证本研究采用的含缺陷管道有限元建模方法的可靠性。
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