一种管道裂纹扩展驱动力计算方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法及系统，其中，管道裂纹扩展驱动力计算方法，包括：在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；边界条件包括对称约束和固定约束；对有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在有限元计算后提取数据；通过有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；根据第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种管道裂纹扩展驱动力计算方法及系统
本专利技术涉及断裂力学领域，尤其涉及一种管道裂纹扩展驱动力计算方法。
技术介绍
管道在服役过程中受复杂地质条件(如不连续多年冻土带、地震、滑坡和地面沉降)、安装施工和实际运营等因素的影响，会产生1-3％的名义轴向应变。如果管道无法承受安装和服役时环境所产生的应变，就会发生泄漏或破裂。这不仅会造成巨大的经济损失，还将造成环境污染、生态破坏等灾难性后果，严重影响社会平稳运行。为了保证管道的结构完整性，需要依据基于断裂力学的BS7910和DNVGL-RP-F108等国际标准，对其进行工程临界评估(ECA)。在对承受塑性变形管道进行工程临界评估时，针对特定的材料和构件形式，需要精确测定其裂纹扩展驱动力。迄今为止，失效评估图(FAD)是应用最为广泛的含缺陷结构断裂评估方法，其已被BS7910，R6，FITNET和API579等缺陷评定标准所采纳。失效评估图法有参考应力法和参考应变法两种，考虑断裂和失稳两种失效模式。目前，国际上使用较为广泛的几种基于应力的裂纹扩展驱动力(J积分)计算方法为：美国电力研究所(Electricpowerresearchinstitute，EPRI)法、参考应力法和改进的参考应力法等。上述方法的精度值极大地依赖于极限载荷解的选取，但在计算特定材料和构件形式的极限载荷解时，存在结果不够准确(导致断裂评估结果不够保守或过于保守)、计算极限载荷解的中间变量物理意义和理论基础不明确、未考虑裂纹尺寸和材料性能对极限载荷解的影响等问题。因此，如何提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法及系统，提出一个理论基础和物理意义明确、能精准计算裂纹扩展驱动力的简化参考应力法，对承受塑性变形管道进行断裂评估，成为亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法及系统。第一方面，本专利技术实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，包括，在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数；其中，c为裂纹半长度；D为管道外径；a为裂纹深度；t为管道壁厚。可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，所述通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据；通过参数化分析，构建第一无量纲系数λ的表达式：使用Levenberg-Marquardt法对所述第一无量纲系数λ的表达式进行多项式拟合，得到第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值；将所述各拟合系数值代入λ的表达式中，得到所述第一无量纲系数λ的计算公式；根据所述第一无量纲系数的计算公式，计算得到第一无量纲系数。可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，所述第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值为：β0＝1.1002，β1＝0.0684，β2＝0.0082，β3＝0.1865，β4＝2.6559，β5＝0.0289，β6＝1.6237，β7＝0.0003，β8＝0.4599，β9＝0.5851，β10＝0.4302；所述第一无量纲系数λ的计算公式为：可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，所述根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力，具体包括：根据所述第一无量纲系数λ，计算参考应力σref具体公式为：σref＝σ/λ；其中，σ是远端施加应力；根据所述参考应力σref，计算得到对应于σref的参考应变εref，进一步计算得到裂纹扩展驱动力；参考应变εref计算公式为：裂纹扩展驱动力计算公式为：其中，α是硬化常数，σ0为屈服强度，ε0为屈服应变，n为应变硬化指数；Jel为J积分的弹性部分，E为杨氏模量，KI为I型应力强度因子。可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，所述第一无量纲系数λ的计算公式适用于任何屈服强度σ0、10≤D/t≤30、0.1≤a/t≤0.5、0.05≤2c/πD≤0.20、10≤n≤25以及0.015≤εn≤0.04的情形；其中，εn为名义应变。可选的，所述管道裂纹扩展驱动力计算方法，所述有限元模型采用ABAQUS软件或ANSYS软件构建。第二方面，本专利技术实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算系统，包括：模型设置模块，用于在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；数据提取模块，与模型设置模块相连，用于对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；参数计算模块，与数据提取模块相连，用于通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；数据分析模块，与参数计算模块相连，用于根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。第三方面，本专利技术实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述管道裂纹扩展驱动力计算方法的各个步骤。第四方面，本专利技术实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述管道裂纹扩展驱动力计算方法的各个步骤。本专利技术实施例提供一种管道裂纹扩展驱动力计算方法及系统，通过构建一个取决于裂纹尺寸和材料性能的第一无量纲系数，将含裂纹结构件的参考应力直接与远端施加应力相关联，简化了裂纹扩展驱动力计算方法，并能够精准地计算裂纹扩展驱动力，方便了对承受塑性变形管道进行断裂评估，提高了评估结果的准确性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，其特征在于，包括，/n在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；/n对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；/n通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；/n根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。/n

【技术特征摘要】
1.一种管道裂纹扩展驱动力计算方法，其特征在于，包括，
在预先建立的管道的有限元模型中设置相应的弹塑性本构关系，并设置拉伸载荷及边界条件；所述边界条件包括对称约束和固定约束；
对所述有限元模型划分网格，设置裂纹和输出参量，进行有限元计算，并在所述有限元计算后提取数据；
通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数；所述第一无量纲系数取决于裂纹尺寸和材料性能，是与修正的极限载荷解相关的参数；
根据所述第一无量纲系数，计算得到裂纹扩展驱动力。


2.根据权利要求1所述的管道裂纹扩展驱动力计算方法，其特征在于，
所述通过所述有限元模型模拟得到的数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：
通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数；
其中，c为裂纹半长度；D为管道外径；a为裂纹深度；t为管道壁厚。


3.根据权利要求2所述的管道裂纹扩展驱动力计算方法，其特征在于，
所述通过所述有限元模型模拟以获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据，计算得到第一无量纲系数，具体包括：
获取不同裂纹长度比2c/πD、裂纹深度比a/t、管道径厚比D/t和硬化指数n情况下的第一无量纲系数λ数据；
通过参数化分析，构建第一无量纲系数λ的表达式：



使用Levenberg-Marquardt法对所述第一无量纲系数λ的表达式进行多项式拟合，得到第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值；
将所述各拟合系数值代入第一无量纲系数λ的表达式中，得到所述第一无量纲系数λ的计算公式；
根据所述第一无量纲系数的计算公式，计算得到第一无量纲系数。


4.根据权利要求3所述的管道裂纹扩展驱动力计算方法，其特征在于，
所述第一无量纲系数λ的表达式中各拟合系数值为：
β0＝1.1002，β1＝0.0684，β2＝0.0082，β3＝0.1865，β4＝2.6559，β5＝0.0289，β6＝1.6237，β7＝0.0003，β8＝0.4599，β9＝0.5851，β10＝0.4302；
所述第一无量纲系数λ的计算公式为：





5.根据权利要求1所述的管道裂纹...

【专利技术属性】
技术研发人员：李一哲，吴向阳，张志毅，卢铁鹏，孙晓光，李亚南，李守律，
申请(专利权)人：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37