周向表面裂纹管道的J积分解

　　1 概述

　　J积分是描述裂纹尖端弹塑性应力、应变场强度的参量, J积分理论是弹塑性断裂力学的理论基础, J积分值作为弹塑性断裂参量也在国内外不同评定标准中得到广泛使用。/在役工业压力管道安全评估0已作为国家/九五0科技攻关项目的子课题,在国内展开全面研究工作。使用弹塑性断裂力学研究含缺陷管道,建立以失效评定图技术为基础的完整的管道评定规范,进行管道安全评定,要求我们具有精确计算管道周向裂纹弹塑性J积分的能力。精确的弹塑性J积分的求解只能依靠有限元法,EPRI收集了已有的含缺陷结构的J积分解,以EPRI工程方法: J积分等于弹性J积分Je与塑性J积分Jp之和来计算, Jp值用全塑性解h1参量表示,并汇编成册[1、2],给工程应用带来很大方便。但对周向表面裂纹管,手册[5]中只给出了内表面裂纹的拉伸解和弯曲解,并且其弯曲解的适用范围较小(材料硬化指数n[5),更加之使用该手册,无法对工程实际中拉弯联合载荷作用下的管道进行分析,虽然我们可以借用通用失效评定曲线和多种管道J积分估算法,但拉弯联合载荷作用下周向裂纹管道的J积分规律对我们来说仍是未知。

　　本文的目的就是通过有限元计算周向裂纹管道的J积分解(包括拉伸解、弯曲解和拉弯联合解),作为对EPRI手册的补充,为含缺陷管道的安全评定提供基础数据。

　　2 有限元分析

　　2.1 程序简介

　　精确计算J积分只能依靠有限元法。本文使用自主开发的三维弹塑性有限元程序,基于弹塑性增量理论,使用20节点等参六面体单元及虚裂纹扩展法(VCE)计算J积分。在文献[3]中已对此程序及虚裂纹扩展法的编程进行了介绍,并通过计算中心穿透裂纹板和半椭圆表面裂纹板的弹塑性J积分,证明了此程序计算所得J积分具有路径无关性,计算结果具有足够的精度,与国外报道的解吻合得很好。本文针对周向表面裂纹管道计算需要,补充开发了前处理程序,从而实现了有限元自动建模;并在有限元程序中增加了处理/水压载荷0的功能,通过在管端部施加线性分布表面力实现弯曲载荷的加载。

　　2.2 周向表面裂纹管道模型及有限元网格

　　受拉弯联合载荷的含周向表面裂纹管道结构及所受外载如图1所示,图中Rt为原场拉伸应力、Rb为最大原场弯曲应力。通过调整前处理程序的输入参数可建立不同受载模式(纯拉、纯弯、拉弯联合)、不同裂纹形状(等深或半椭圆裂纹)以及不同裂纹位置(内表面或外表面裂纹)的多种含周向表面裂纹管道有限元网格,如图2 (a) ~ (d)所示。按裂纹长度网格总单元数可为800~1400,总节点数可为4000~7000。

　　2.3 本文程序计算所得周向裂纹管J积分值准确性的验证