塑料壓力管道破壞機理的損傷力學(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)測對于確定管件的檢修時間和防止事故的發(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)果與管道的實際情況相比具有一定誤差。針對于此，本文利用損傷力學(xué)理論建立起塑料壓力管道在真實應(yīng)力下的物理模型，不僅同時考慮到了蠕變載荷和疲勞載荷對管道的作用，而且彌補了傳統(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)和計算機圖形學(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，并運用數(shù)值方法對其進行分析計算，以實現(xiàn)對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驗得到材料的各損傷參數(shù)并代入基于損傷力學(xué)的模型中進行分析模擬，即可對材

3、料的長期使用性能進行模擬并可對其失效壽命進行預(yù)測，從而使只通過簡潔的實驗即可獲得材料的長期力學(xué)性能成為可能，并使對高分子材料長期性能的認識，從宏觀進入微觀、從定性進入定量、從靜態(tài)進入動態(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?？偨Y(jié)如下： 1．根據(jù)損傷力學(xué)原理，對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．對疲勞和蠕

4、變兩種加載形式下的損傷過程進行深入分析，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)，從而可計算得到其它與溫度相關(guān)的材料參數(shù)。此外，由于進行損傷力學(xué)計算還需要得到材料的損傷參數(shù)，因此利用萬能實驗機對試樣進行拉伸實驗，并通過對其實驗數(shù)據(jù)的整合處理，識別得到材料在常溫下

5、的相關(guān)損傷參數(shù)； 4．對聚丙烯材料進行了基于蠕變損傷模型的數(shù)值模擬，對材料的蠕變失效破壞過程進行了模擬分析，對其服役壽命進行了預(yù)測，并將模擬結(jié)果與DMA實驗結(jié)果和文獻中的實驗結(jié)果相驗證，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．對聚丙烯和高密度聚乙烯材料進行了基于疲勞損傷模型的數(shù)值模擬，對材料的疲勞失效破壞過程進行了模擬分析和壽命預(yù)測，并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相驗證，通過比較證明此預(yù)測方法得到的疲勞數(shù)據(jù)較為準確；

6、 6．針對于塑料壓力管在使用過程中所承受的真實應(yīng)力狀態(tài)，對疲勞和蠕變兩種損傷形式進行耦合分析，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、溫度等條件對其服役壽命進行預(yù)測； 7．對塑料壓力管道的真實受力狀態(tài)進行建模分析，并對管徑為100mm的PE100級燃氣管道在真實應(yīng)力狀態(tài)下的損