断裂动力学有限元程序的开发及在天然气管道裂纹扩展问题上的应用

　　1流体压力导致裂纹起裂和扩展问题

　　许多工程事故是由于流体压力导致了结构开裂，而流体从结构裂纹中释放所产生的裂纹驱动力导致了裂纹扩展。这样的工程实例有:(a)天然气长距离输送管道，(b)天然气短距离分布管道，(c)核反应堆的管道系统，(d)飞机机身，(e)低温冷藏储箱，(匀火箭发动机的外壳，(g)海洋石油平台等。流体压力管道的断裂现象是流(气)体，结构和断裂相互作用又相互影响的过程，模拟三者组合效应的过程是极为复杂的。图1展示了三者之间的相互作用关系:(i)流体压力对于含裂纹结构生成了裂纹驱动力，(ii)结构开裂导致内部流体迅速溢出，(iii)裂纹扩展形成了结构上移动的边界条件。这一流体/结构/断裂相互作用的特点是发展动态断裂力学模型的核心问题川。

　　据美国交通部提交的关于美国本土在1970年至1984年间56万公里长石油天然气管道上事故的统计报告川，事故发生率最高的是非确定因素(Thirdpartydamage)，占40.5%。不像其它的破坏，知道了原因就可以采取措施，预防裂纹的起裂，Thirdpartydamage是无法事先估计的，一旦起裂，裂纹可迅速扩展，或者止裂。

　　许多灾难性的天然气管道破坏事故源于裂纹在管道上的迅速扩展。在北美的钢制天然气输送管道上，曾发生过裂纹扩展达十几公里121。而在聚乙烯(Pofyethylene，简称PE)分布管道上也有类似的事故发生。如1986年在匈牙利，700米长的裂纹出现在直径0.3巧米的PE管道上:1989年在比利时，直径0.5米的管道上发现了长裂纹[31。显然，在天然气管道工程中避免这种灾难是极为重要的。这种问题被认为是断裂动力学研究领域中最重要的问题之一。研究的目的是在正常使用情况下，要求管道不开裂，或由于某些非确定因素引起的微裂纹不至于迅速扩展，从而使破坏程度限于尽可能小的局部范围。

　　2断裂动力学的研究背景

　　含裂纹结构受动载作用将发生裂纹的起裂和扩展，导致结构破坏或者发生止裂，产生这些过程的条件称为判据。目前，断裂动力学在分析裂纹扩展和止裂问题上是应用动裂纹约束的概念。从这一概念来考虑当裂纹扩展过程中发生止裂，就是使裂纹不能连续扩展。对于天然气管道，可以用这样的条件来表示t4]

　　如果Gm。二吼裂纹扩展

　　式中，G为裂纹驱动力，GJ为材料的断裂韧性，a为裂纹长度，p为流体压力，D为管道直径，soR(standardDimensionRatio)为管道外直径与壁厚的比值，E为材料的杨式模量，而T为温度，d为裂纹扩展速度，h为壁厚。

　　因此，为了防止裂纹在工程管道上扩展事故的发生，G和GJ的相对值为实际应用准则提供了定量的条件。G来源于对结构模型的分析和计算，PFRAC程序的发展正是满足了这一定量分析的需要，而GJ要通过对结构材料的试验来分析确定。