塑料壓力管道破壞機(jī)理的損傷力學(xué)研究及其數(shù)值模擬.pdf

1、塑料壓力管道長期使用性能的研究和預(yù)測對(duì)于確定管件的檢修時(shí)間和防止事故的發(fā)生具有非常重要的意義。然而，由于傳統(tǒng)的塑料管道壽命分析方法幾乎都只考慮了管道在產(chǎn)生宏觀裂紋后的裂紋擴(kuò)展過程而未涉及到管道的微觀損傷演變過程，因此其預(yù)測結(jié)果與管道的實(shí)際情況相比具有一定誤差。針對(duì)于此，本文利用損傷力學(xué)理論建立起塑料壓力管道在真實(shí)應(yīng)力下的物理模型，不僅同時(shí)考慮到了蠕變載荷和疲勞載荷對(duì)管道的作用，而且彌補(bǔ)了傳統(tǒng)斷裂力學(xué)理論中忽略了微觀裂紋增長及損傷累積過程

2、的缺陷，使得模型更加接近于真實(shí)情況，并利用VB語言編制了相應(yīng)的預(yù)測軟件，為塑料壓力管道長期性能的研究和預(yù)測提供了一種新方法。 本文利用高分子材料學(xué)、損傷力學(xué)、材料力學(xué)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等基本理論，建立起高分子材料在蠕變和疲勞載荷長期加載過程中損傷演變的數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用數(shù)值方法對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)對(duì)塑料壓力管道長期性能的預(yù)測和壽命分析。本方法只需通過快捷的拉伸實(shí)驗(yàn)得到材料的各損傷參數(shù)并代入基于損傷力學(xué)的模型中進(jìn)行分析模擬，即可對(duì)材

3、料的長期使用性能進(jìn)行模擬并可對(duì)其失效壽命進(jìn)行預(yù)測，從而使只通過簡潔的實(shí)驗(yàn)即可獲得材料的長期力學(xué)性能成為可能，并使對(duì)高分子材料長期性能的認(rèn)識(shí)，從宏觀進(jìn)入微觀、從定性進(jìn)入定量、從靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)，為預(yù)測塑料壓力管道的服役壽命和檢修年限提供了科學(xué)依據(jù)及分析手段。總結(jié)如下： 1．根據(jù)損傷力學(xué)原理，對(duì)高分子材料在疲勞載荷和蠕變載荷加載下的損傷演變過程進(jìn)行分析，得到各情況下的本構(gòu)方程，從而分別推導(dǎo)出相應(yīng)受力狀態(tài)下的損傷演變方程； 2．對(duì)疲勞和蠕

4、變兩種加載形式下的損傷過程進(jìn)行深入分析，建立了相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，使用Visual Basic語言編寫出關(guān)于各自力學(xué)參數(shù)演變的可視化程序； 3．由于高分子材料的一些物性參數(shù)具有很高的溫度依賴性，因此利用DMA方法分析得到材料在各溫度下的力學(xué)參數(shù)，從而可計(jì)算得到其它與溫度相關(guān)的材料參數(shù)。此外，由于進(jìn)行損傷力學(xué)計(jì)算還需要得到材料的損傷參數(shù)，因此利用萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，并通過對(duì)其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整合處理，識(shí)別得到材料在常溫下

5、的相關(guān)損傷參數(shù)； 4．對(duì)聚丙烯材料進(jìn)行了基于蠕變損傷模型的數(shù)值模擬，對(duì)材料的蠕變失效破壞過程進(jìn)行了模擬分析，對(duì)其服役壽命進(jìn)行了預(yù)測，并將模擬結(jié)果與DMA實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相驗(yàn)證，證明通過此預(yù)測方法得到的蠕變數(shù)據(jù)可靠性較高； 5．對(duì)聚丙烯和高密度聚乙烯材料進(jìn)行了基于疲勞損傷模型的數(shù)值模擬，對(duì)材料的疲勞失效破壞過程進(jìn)行了模擬分析和壽命預(yù)測，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相驗(yàn)證，通過比較證明此預(yù)測方法得到的疲勞數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確；

6、 6．針對(duì)于塑料壓力管在使用過程中所承受的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)疲勞和蠕變兩種損傷形式進(jìn)行耦合分析，建立了相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，使用VisualBasic語言編寫出其力學(xué)參數(shù)演變的可視化程序。明確直觀的模擬了塑料壓力管道在實(shí)際使用過程中長期力學(xué)性能的演變過程，并可根據(jù)具體的材料、應(yīng)力、溫度等條件對(duì)其服役壽命進(jìn)行預(yù)測； 7．對(duì)塑料壓力管道的真實(shí)受力狀態(tài)進(jìn)行建模分析，并對(duì)管徑為100mm的PE100級(jí)燃?xì)夤艿涝谡鎸?shí)應(yīng)力狀態(tài)下的損