厚壁圓筒裂紋有限元分析畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　壓力容器是承壓并具有爆炸危險(xiǎn)的特種設(shè)備，一旦發(fā)生爆炸或者泄漏事故，往往并發(fā)引起火災(zāi)或中毒等重大傷亡，嚴(yán)重影響社會(huì)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人民的生命和財(cái)產(chǎn)將蒙受巨大損失，同時(shí)直接影響社會(huì)生活的安定。壓力容器在使用過程中會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，對(duì)這些缺陷進(jìn)行安全評(píng)估是安全生產(chǎn)的必要工作。</p><p>　　本文以斷裂力學(xué)

2、為理論基礎(chǔ)，利用斷裂力學(xué)理論及數(shù)值分析方法從而更能準(zhǔn)確的反映出壓力容器在不同裂紋尺寸和不同裂紋類型下的疲勞壽命。判斷含裂紋缺陷壓力容器運(yùn)行的安全性與可靠性的目的在于減少不必要的停產(chǎn)以及維修，從而提高經(jīng)濟(jì)性和設(shè)備的可靠性，因此本課題的研究更加具有實(shí)用意義。并且通過有限元軟件ANSYS，建立該表面裂紋缺陷的二維平面模型和三維有限元模型，模擬計(jì)算最能反映出該裂紋前沿狀態(tài)的重要參量—應(yīng)力強(qiáng)度因子值，并分析有限彈性體高度和長(zhǎng)度的變化對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子

3、值大小的影響。以上研究的結(jié)果為該設(shè)備的安全使用和可靠性評(píng)價(jià)提供了理論依據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：裂縫；有限元；應(yīng)力集中；結(jié)構(gòu)分析；應(yīng)力強(qiáng)度因子</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Pressure vessels are special pressured equipments with explo

4、sion hazard.Heavy casualties such as fire disaster and poisoning caused by explosion or leakage seriously will seriously affect social production,economic development,and people’s lives and property.Therefore,security ev

5、aluation on the defects during the process of use is necessary to ensure safety production.</p><p>　　This Paper is based on fracture mechanics，this method that using the theory of fracture mechanics and nume

6、rical analysis is in order to define an accurate fatigue life of the pressure vessel at different crack size and form.To determine the safety and reliability of the pressure vessel which containing crack defect aimed to

7、reduce unnecessary shutdowns and maintenance，therefore，it enhance the economy and reliability of the equipment.So the study of this topic has more practical significance.And </p><p>　　Key word: Crack; Finite

8、 element; Stress concentration; Structural analysis; SIF</p><p><b>　　第1章 概述</b></p><p>　　有資料表明，目前我國(guó)壓力容器供方市場(chǎng)已有2700余家，已構(gòu)成規(guī)模大，裝備強(qiáng)，覆蓋面廣，技術(shù)力量強(qiáng)，素質(zhì)高的生產(chǎn)廠家。并且我國(guó)已形成ASME產(chǎn)品協(xié)作網(wǎng)，中小壓力容器廠商聯(lián)合會(huì)，已創(chuàng)建壓力容

9、器協(xié)會(huì)，這均是很有前景的橫向聯(lián)合的行業(yè)協(xié)會(huì)團(tuán)體，已構(gòu)建了大型集團(tuán)化公司，如東方鍋爐有限公司，南京石化集團(tuán)等。因此，我國(guó)壓力容器制造現(xiàn)狀特點(diǎn)和存在問題值得我們進(jìn)行深入研究。</p><p>　　1.1 壓力容器制造現(xiàn)狀特點(diǎn)</p><p>　　現(xiàn)有壓力容器制造過程由七大部分組成，即設(shè)計(jì)、機(jī)加工和鉚接、材料、焊接、無損探傷、計(jì)量理化和檢驗(yàn)，它貫穿于壓力容器制造的整個(gè)過程，這七大部分相互聯(lián)系、相

10、互協(xié)調(diào)、相互制約共同完成壓力容器產(chǎn)品的制造。壓力容器是以小批量、單件的生產(chǎn)方式為主的產(chǎn)品，長(zhǎng)期以來高成本、較長(zhǎng)的加工周期困擾著企業(yè)，使企業(yè)為此付出了代價(jià)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的生命周期不斷縮短，客戶往往因?yàn)椴荒苋淌荛L(zhǎng)時(shí)間的等待而離去，使企業(yè)失去了一些客戶的信任；再加上壓力容器制造企業(yè)設(shè)備投入大，生產(chǎn)成本居高不下，產(chǎn)品的生產(chǎn)周期長(zhǎng)，這些嚴(yán)重制約了企業(yè)的發(fā)展，削弱了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。所以要提升壓力容器制造企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力就必須對(duì)現(xiàn)有

11、壓力容器產(chǎn)品的制造過程進(jìn)行剖析，從而找出引起壓力容器產(chǎn)品生產(chǎn)高成本、長(zhǎng)交貨期的根源所在，“對(duì)癥下藥”有的放矢的采取有效的方法達(dá)到解決長(zhǎng)期困擾企業(yè)的兩難問題。下面從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝流程、生產(chǎn)方式等方面對(duì)壓力容器產(chǎn)品的生產(chǎn)特點(diǎn)做以下描述：　　產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、參數(shù)的多樣性。壓力容器產(chǎn)品適用范圍廣，如制藥、化工、石油、冶煉、飲食等行業(yè)，所處行業(yè)不同，有不同的用途，因此廣泛的用途使其產(chǎn)品具有多種多樣、品種繁多的特點(diǎn)，而且即</p><

12、;p>　　1.2 制造工藝的現(xiàn)狀及存在問題</p><p>　　工藝流程中存在的許多重復(fù)性工作。工藝流程中的重復(fù)性以及不必要的工藝環(huán)節(jié)，直接影響了產(chǎn)品生產(chǎn)的周期和產(chǎn)品質(zhì)量。壓力容器產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝流程中的相似環(huán)節(jié)是造成產(chǎn)品加工周期長(zhǎng)、客戶等待時(shí)間長(zhǎng)的重要原因之一。例如焊接工藝文件中產(chǎn)品試板的焊接工藝的編制，從逐臺(tái)編制到以臺(tái)代批?！　」に嚲幹频膹?fù)雜性，是指編制工藝文件的合理性受工藝人員的自身水平的影響。工藝的

13、編制需查閱大量的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，故每一份工藝文件編制的合理性都受編制人員的技術(shù)水平和工作經(jīng)驗(yàn)的影響。工藝編制的復(fù)雜程度與所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品有很大關(guān)系，隨產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的不同其工藝編制的工作量有很大差距。因此，工藝人員的專業(yè)素質(zhì)對(duì)壓力容器產(chǎn)品的制造起著重要作用。例如，焊接工藝是壓力容器產(chǎn)品制造過程中焊縫加工的指導(dǎo)性文件，由于它的加工特點(diǎn)決定了焊接工藝編制對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、交貨期以及產(chǎn)品成本起著重要作用。焊接工藝的編制水平直接影響到焊接質(zhì)量和焊縫的返修次數(shù)，進(jìn)而

14、影響產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣，以及產(chǎn)品加工周期的長(zhǎng)短?！　‘a(chǎn)品或零部件工藝的重復(fù)編制導(dǎo)致壓力容器產(chǎn)品制造時(shí)間延長(zhǎng)。往往因?yàn)槿狈?duì)信息資源的分析和積累，會(huì)出現(xiàn)重復(fù)編制相似零部件的工藝文件現(xiàn)象，造成生產(chǎn)的浪費(fèi)和成本的增加?！?lt;/p><p>　　1.3 圓筒壓力容器的簡(jiǎn)介</p><p>　　1.3.1圓筒壓力容器的組成</p><p>　　壓力容器由容器本體和附件構(gòu)成。對(duì)于

15、圓筒形容器，容器本體由筒體與封頭兩部分組成。常見的壓力容器封頭有：球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭、球罐形封頭、錐形封頭和平蓋封頭等。容器附件包括支座、法蘭、接管、人孔、手孔、視鏡和安全附件等。</p><p>　　1.3.2 圓筒壓力容器剛度的基本要求</p><p>　　材料是壓力容器質(zhì)量保證體系中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，并不僅僅是設(shè)計(jì)者選定一下材料就萬事大吉了，這里還涉及到對(duì)材料與冶煉與軋制、

16、供貨狀態(tài)、采購訂貨、檢驗(yàn)驗(yàn)收、力學(xué)性能與成分的查對(duì)或取樣復(fù)測(cè)、材料在使用過程中的退化與損傷積累等方面的全面了解。事實(shí)上設(shè)計(jì)者選材時(shí)，就應(yīng)對(duì)這些因素有充分的了解并予以足夠的考慮。</p><p>　　為此，首先分析容器的制造與使用條件的特殊性。容器承受壓力或其他載荷，因此容器的材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度。材料強(qiáng)度過低，勢(shì)必使容器過厚，但強(qiáng)度過高又將影響材料的其他力學(xué)性能和焊接性能。容器制造時(shí)多數(shù)須用冷卷及熱沖壓成形工藝，

17、為此材料應(yīng)具有良好的塑性，使冷卷及熱沖壓時(shí)不裂不斷。容器在結(jié)構(gòu)上不可能做到?jīng)]有任何小圓角或缺口，也不可能在焊縫中無任何缺陷，如氣孔、夾渣、未焊透、末熔合、甚至還有裂紋，這些都形成應(yīng)力集中。這就要求材料具有良好的韌性，將不致因載荷突然波動(dòng)、沖擊、過載或低溫而造成斷裂。此外，有時(shí)還要求在交變載荷作用時(shí)材料具有抗疲勞破壞的能力，使容器有足夠的安全使用壽命。</p><p>　　除極少數(shù)的鑄造及鍛造容器外，容器的制造均需

18、要焊接，因此材料必須有良好的可焊性。簡(jiǎn)單地說，可焊性就是指焊接時(shí)和焊接后是否會(huì)出現(xiàn)裂紋（熱裂紋或冷裂紋）和因焊接熱影響而形成硬脆的淬硬組織。增加含碳量和某些合金元素可提高強(qiáng)度，但又使可焊性變差。然而，也不能因此而不發(fā)展高強(qiáng)度的低合金鋼而始終沿用低強(qiáng)度的低碳鋼。</p><p>　　綜上所述，保證強(qiáng)度又要有良好的塑性、韌性和可焊性，以至低溫韌性，這是對(duì)壓力容器用鋼的基本要求。它主要通過鋼材化學(xué)成分的設(shè)計(jì)未解決，還可

19、借助熱處理方法使材料性能變得更為理想。另外，為解決防腐蝕問題也可采用合金鋼或其他防腐蝕措施。下面將對(duì)壓力容器用鋼的基本要求作進(jìn)一步分析。</p><p><b>　?。?）化學(xué)成分</b></p><p>　　除了允許用于制造壓力容器的非壓力容器用鋼（如Q235－C）以外，凡壓力容器用鋼（標(biāo)以R或DR的），對(duì)化學(xué)成分的控制都比較嚴(yán)格。這是因?yàn)榛瘜W(xué)成分的變化不僅對(duì)鋼材的

20、基本力學(xué)性能如強(qiáng)度、塑性、韌性等有很大影響，也決定了熱處理的效果。鋼材的化學(xué)成分大體上可以分為合金元素和雜質(zhì)元素兩大類。</p><p>　　合金元素中，碳含量偏高雖可增加強(qiáng)度，但會(huì)導(dǎo)致可焊性變差，焊接時(shí)易在熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋。鋁元素能提高鋼材的高溫強(qiáng)度，但含量超過0.5％時(shí)會(huì)影響可焊性。其他合金元素都是按照力學(xué)性能要求配比的，都有一定的控制范圍，在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有明確的規(guī)定。</p><p>

21、　　雜質(zhì)元素一般都有危害作用，但是在冶煉中難以完全去除。硫含量過高則非常容易形成硫化物（特別是長(zhǎng)條硫化錳）夾雜，使鋼材的韌性顯著下降，軋制成鋼板后甚至形成分層缺陷。磷、砷、銻、錫等元素含量雖微，但必須嚴(yán)格控制，否則會(huì)加劇回火脆性，即在回火溫度區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間工作后，鋼材的常溫韌性顯著下降，導(dǎo)致發(fā)生裂紋和引起脆斷破壞的可能性。這對(duì)于長(zhǎng)期工作在400～500C左右的Cr－Mo鋼（如熱壁加氫反應(yīng)器等設(shè)備常用的3Cr1Mo鋼）尤為重要，這類鋼對(duì)以上有

22、害的雜質(zhì)元素有嚴(yán)格要求。另外，硫含量過多會(huì)降低斷裂韌性，也易出現(xiàn)裂紋。在核裝置的研究中已經(jīng)明確指出銅是造成輻射脆化的主要因素，應(yīng)在冶煉時(shí)嚴(yán)格限制。</p><p>　　由此可見，壓力容器用鋼在冶煉時(shí)就必須將各種成分嚴(yán)格控制在允許范圍之內(nèi)。作為容器用鋼，許多元素成分的允許范圍要比同鋼號(hào)的非容器用鋼嚴(yán)格。以16MnR為例，其磷、硫含量要求低于0.035％和0.030％，而同類的非容器用的結(jié)構(gòu)鋼 16Mn則僅要求分別低

23、于0.045％和0.050％。研究表明，進(jìn)一步嚴(yán)格控制有害元素磷與硫的含量將可大大改善壓力容器用鋼的韌性與焊接性能。近年來國(guó)際上已有許多高要求的壓力容器用鋼將磷與硫的含量S再降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，例如將含硫量降到萬分之三以下，達(dá)到“純凈化”的要求。</p><p><b>　?。?）力學(xué)性能</b></p><p>　　材料的力學(xué)性能主要是指強(qiáng)度、塑性與韌性。這些性能指標(biāo)

24、常常被誤解為材料的一種屬性，類似于物理常數(shù)，這是很錯(cuò)誤的。材料的力學(xué)性能固然取決于化學(xué)成分，但還取決于材。料熱處理后的組織狀態(tài)，往往有一定的分散性。并且，在非單軸拉伸的復(fù)雜受力狀態(tài)或載荷循環(huán)下有特定的表現(xiàn)。對(duì)于循環(huán)載荷情況，通常將材料性能的特定表現(xiàn)稱為材料在一定條件下的“力學(xué)行為”。</p><p>　　1.4 研究的主要內(nèi)容</p><p>　　1.4.1 論文課題背景</p>

25、;<p>　　鍋爐的主要承載部件上均需要設(shè)置各種形狀的開孔接管結(jié)構(gòu)。這些開孔或接管不但削弱了不見的強(qiáng)度，而且在承載殼體與接管的連接處破壞了結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使之在內(nèi)壓力等載荷作用下，由于變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力。這種局部應(yīng)力通?？蛇_(dá)到未開孔時(shí)應(yīng)力的數(shù)倍。</p><p>　　不僅如此，開孔接管部位通常還存在連接主殼體和接管的角接焊縫。這些焊縫及其熱影響往往存在各種各樣的缺陷，而這些缺陷目前還難以進(jìn)

26、行準(zhǔn)確的無損檢測(cè)；在高應(yīng)力的作用下，這些缺陷容易擴(kuò)展開裂造成設(shè)備損壞，因此，開孔接管部位成為設(shè)備的重要破壞源。另外在實(shí)際的壓力容器中一種常見的破壞形式就是裂縫，并且大多數(shù)為橢圓形的表面裂縫，由于在裂縫中穿透的直裂縫是最危險(xiǎn)的情況。</p><p>　　1.4.2 主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本文的主要內(nèi)容就是對(duì)壓力容器進(jìn)行調(diào)查研究，總結(jié)分析壓力容器的現(xiàn)狀，尤其研究壓力容器在損壞時(shí)的情

27、況。但鍋爐受壓元件承受的載荷形式多種多樣，本文主要研究結(jié)構(gòu)分析。機(jī)械應(yīng)力在孔口地方會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中情況，這些問題的分析和研究對(duì)壓力容器的安全都至關(guān)重要。鑒于時(shí)間和精力所限，所以本文研究多種裂縫情況中最危險(xiǎn)的直裂縫，和半橢圓裂縫，而分析重點(diǎn)集中在有均勻多裂縫的圓筒內(nèi)壁應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算分析。</p><p>　　第2章 ANSYS軟件介紹</p><p>　　有限元法是一種采用電子計(jì)算機(jī)求解復(fù)

28、雜工程結(jié)構(gòu)的非常有效的數(shù)值方法，是將所研究的工程系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成一個(gè)結(jié)構(gòu)近似的有限元系統(tǒng)，該系統(tǒng)由節(jié)點(diǎn)及單元組合而成，以取代原有的工程系統(tǒng)。有限元系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)化成一個(gè)數(shù)學(xué)模式，并根據(jù)數(shù)學(xué)模式，進(jìn)而得到該有限元系統(tǒng)的解答，并通過節(jié)點(diǎn)、單元表現(xiàn)出來。完整有限元模型除了節(jié)點(diǎn)、單元外，還包含工程系統(tǒng)本身所具有的邊界條件、約束條件、外力負(fù)載等。由于有限元法具有精度高、適應(yīng)性強(qiáng)以及計(jì)算格式規(guī)范統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)，故在短短幾多年間已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、宇航航空、汽車、船

29、舶、土木、核工程及海洋工程等許多領(lǐng)域，成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中一種重要工具。特別是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展核軟、硬件環(huán)境的不斷完善以及高檔微機(jī)核計(jì)算機(jī)工作站逐步普及，從而為ANSYS的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了良好的條件，并將展示出更為廣闊的工程應(yīng)用前景。</p><p>　　2.1 ANSYS介紹</p><p>　　ANSYS是目前世界頂端的有限元商業(yè)應(yīng)用程序，是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于

30、一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如NASTRAN,IDEAS,AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。美國(guó)John Swanson博士于1970年創(chuàng)建ANSYS公司后，便開發(fā)出了該應(yīng)用程序，以此用計(jì)算機(jī)模擬工程結(jié)構(gòu)分析，歷經(jīng)30多年的不斷完善和修改，現(xiàn)成為全球最受歡迎的應(yīng)用程序。</p><p>

31、;　　ANSYS是一種廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件。所謂工程分析軟件，主要是在機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等，根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力負(fù)載后的狀態(tài)，進(jìn)而判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，受的負(fù)載也相當(dāng)多，理論分析往往無法進(jìn)行。想要解答，必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬方法分析。由于計(jì)算機(jī)行業(yè)的發(fā)展，相應(yīng)的軟件也應(yīng)運(yùn)而生，ANSYS軟件在工程上應(yīng)用相當(dāng)廣泛，在機(jī)械、電機(jī)、土木、電

32、子及航空等領(lǐng)域的使用，都能達(dá)到某種程度的可信度，頗獲各界好評(píng)。使用該軟件，能夠降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。到20世紀(jì)80年代初期，國(guó)際上較大型的面向工程的有限元通用軟件主要有：ANSYS，NASTRAN，ASKA， SAP等。以ANSYS為代表的工程數(shù)值模擬軟件，是一個(gè)多用途的有限元法分析軟件，它從1971年的版本與今天的13.0版本已有很大的不同，起初它僅提供結(jié)構(gòu)線性分析和熱分析，現(xiàn)在可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問題的解答

33、。它包含了前置處理、解題程序以及后置處理，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。</p><p>　　2.2 ANSYS特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　2.2.1 ANSYS主要技術(shù)特點(diǎn)</p><p>　　ANSYS程序是一個(gè)功能強(qiáng)大的設(shè)計(jì)分析及優(yōu)化軟件包，其特點(diǎn)：</p><p>　　(1

34、) 數(shù)據(jù)統(tǒng)一。ANSYS使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)及求解結(jié)果，實(shí)現(xiàn)前后處理、分析求解及多場(chǎng)分析的數(shù)據(jù)統(tǒng)一。</p><p>　　(2) 強(qiáng)大的建模能力。ANSYS具備三維建模能力，僅靠ANSYS的GUI（圖形界面）就可建立各種復(fù)雜的幾何模型。</p><p>　　(3) 強(qiáng)大的求解功能。ANSYS提供了數(shù)種求解器，用戶可以根據(jù)分析要求選擇合適的求解器。</p><p

35、>　　(4) 強(qiáng)大的非線性分析功能。ANSYS具有強(qiáng)大的非線性分析功能，可進(jìn)行幾何非線性、材料非線性及狀態(tài)非線性分析。</p><p>　　(5) 智能網(wǎng)格劃分。ANSYS具有智能網(wǎng)格劃分功能，根據(jù)模型的特點(diǎn)自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格。</p><p>　　(6) 良好的優(yōu)化功能網(wǎng)格。</p><p>　　(7) 良好的用戶開發(fā)環(huán)境。</p><p

36、>　　2.2.2 應(yīng)用領(lǐng)域</p><p>　　ANSYS的應(yīng)用可分為國(guó)防和民用兩大類，主要有：汽車、飛機(jī)、火車、輪船等運(yùn)輸工具的碰撞分析；金屬成型、金屬切割；汽車零部件的機(jī)械制造；塑料成型、玻璃成型；生物力學(xué)；地震工程；消費(fèi)品、建筑物、高速結(jié)構(gòu)等的安全性分析；點(diǎn)焊、鉚焊、螺栓連接；液體-結(jié)構(gòu)相互作用；運(yùn)輸容器設(shè)計(jì)；內(nèi)彈道發(fā)射對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析；終點(diǎn)彈道的爆炸驅(qū)動(dòng)和破壞效應(yīng)分析；軍用新材料（包括炸藥、復(fù)合

37、材料、特種金屬等）的研制和動(dòng)力特性分析；超高速碰撞模擬分析等等。</p><p>　　2.2.3 在機(jī)械上的應(yīng)用</p><p>　　ANSYS可以對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行分析。靜力分析是用于靜態(tài)載荷。可以考慮結(jié)構(gòu)的線性及非線性行為，例如：大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈性及蠕變等。模態(tài)分析是計(jì)算線性結(jié)構(gòu)的自振頻率及振形。譜分析是模態(tài)分析的擴(kuò)展，用于計(jì)算由于隨機(jī)振動(dòng)引起的

38、結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變。在機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，利用彈性力學(xué)有限元建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而可以計(jì)算出結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)以及動(dòng)力響應(yīng)。</p><p>　　2.3 ANSYS軟件分析過程</p><p>　　ANSYS典型的分析過程由前處理、求解計(jì)算和后處理3個(gè)部分組成。</p><p><b>　　2.3.1 前處理</b></p&

39、gt;<p>　　雙擊實(shí)用菜單中的Preprocessor，進(jìn)入ANSYS的前處理模塊。這個(gè)模塊主要有兩部分內(nèi)容：實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分。</p><p>　　ANSYS程序提供了兩種實(shí)體建模方法：自頂向下與自底向上。自頂向下進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶定義一個(gè)模型的最高級(jí)圖元，如球、棱柱，稱為基元，程序則自動(dòng)定義相關(guān)的面、線及關(guān)鍵點(diǎn)。用戶利用這些高級(jí)圖元直接構(gòu)造幾何模型，如二維的圓和矩形以及三維的塊、球、錐和

40、柱。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模，用戶均能使用布爾運(yùn)算來組合數(shù)據(jù)集，從而“雕塑出”一個(gè)實(shí)體模型。ANSYS程序提供了完整的布爾運(yùn)算，諸如相加、相減、相交、分割、粘結(jié)和重疊。在創(chuàng)建復(fù)雜實(shí)體模型時(shí)，對(duì)線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。ANSYS程序還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、延伸和拷貝實(shí)體模型圖元的功能。附加的功能還包括圓弧構(gòu)造、切線構(gòu)造、通過拖拉與旋轉(zhuǎn)生成面和體、線與面的自動(dòng)相交運(yùn)算、自動(dòng)倒角生成、用于網(wǎng)格

41、劃分的硬點(diǎn)的建立、移動(dòng)、拷貝和刪除。自底向上進(jìn)行實(shí)體建模時(shí)，用戶從最低級(jí)的圖元向上構(gòu)造模型，即：用戶首先定義關(guān)鍵點(diǎn)，然后依次是相關(guān)的線、面、體。ANSYS程序提供了使用便捷、高質(zhì)量的對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的功能。包括4種網(wǎng)格劃分方法：延伸劃分、映像劃分、自由劃分和自適應(yīng)劃分。延伸網(wǎng)格劃分可將一個(gè)二維網(wǎng)格延伸成一個(gè)三維</p><p>　　2.3.2 加載及求解</p><p>　　在該階段，用

42、戶可以定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開始有限元求解。加載即用邊界條件數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，即分析結(jié)構(gòu)和外界之間的相互作用。載荷的含義有：自由度約束位移、節(jié)點(diǎn)力（力，力矩）、表面載荷壓力、慣性載荷（重力加速度，角加速度）。可以在實(shí)體模型或FEA（有限元分析）模型（節(jié)點(diǎn)和單元）上加載。直接在實(shí)體模型加載優(yōu)點(diǎn)是幾何模型加載獨(dú)立于有限元網(wǎng)格，重新劃分網(wǎng)格或局部網(wǎng)格修改不影響載荷；同時(shí)加載的操作更加容易，尤其是在圖形中直接拾

43、取時(shí)。但要注意：無論采取何種加載方式，ANSYS求解前都將載荷轉(zhuǎn)化到有限元模型上。因此，加載到實(shí)體的載荷將自動(dòng)轉(zhuǎn)化到其所屬的節(jié)點(diǎn)或單元上。</p><p><b>　　2.3.3 后處理</b></p><p>　　后處理階段是對(duì)前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。例如，計(jì)算結(jié)果（如應(yīng)力）在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值（如應(yīng)力值

44、）。濃淡圖則用不同的顏色代表不同的數(shù)值區(qū)（如應(yīng)力范圍），清晰地反映了計(jì)算結(jié)果的分布情況。另外還可以檢查在一個(gè)時(shí)間段或子步歷程中的結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、應(yīng)力或支反力。這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表查看。繪制一個(gè)或多個(gè)變量隨頻率或其它量變化的曲線，有助于形象化地表示分析結(jié)果。</p><p>　　2.4 本論文所用的ANSYS單元介紹</p><p>　　2.4.1 ANSYS的PLANE183單元

45、介紹</p><p>　　本文平面模型采用PLANE183單元，PLANE183是一個(gè)高階2維8節(jié)點(diǎn)單元。PLANE183 具有二次位移函數(shù)，能夠很好地適應(yīng)不規(guī)則模型的分網(wǎng)(例如由不同CAD/CAM所產(chǎn)生的模型)。本單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有2個(gè)自由度，分別為X和Y方向的平面位移。本單元既可用作平面單元(平面應(yīng)力、平面應(yīng)變和廣義平面應(yīng)變)，也可用作軸對(duì)稱單元。本單元具有塑性、蠕變、應(yīng)力剛度、大變形及大應(yīng)變的能力。

46、并具有力-位移混合公式的能力，可以模擬接近不可壓縮的彈塑性材料的變形。支持初應(yīng)力選項(xiàng)。有多種打印輸出選項(xiàng)可用。</p><p>　　2.4.2 ANSYS的SOLID95單元介紹</p><p>　　本文平面模型采用SOLID95單元，SOLID95單元是三維20節(jié)點(diǎn)實(shí)體結(jié)構(gòu)單元它是比三維8節(jié)點(diǎn)SOLID45單元更高的命令版本。它可以接受不規(guī)則的形狀，并且不損失精度。SOLID95單元具有

47、協(xié)調(diào)的位移函數(shù)并且能很好的模擬邊界曲線。單元通過20個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度：轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系下的X,Y,Z方向。單元也可有任何的空間定位。SOLID95單元具有塑性，蠕變，應(yīng)力強(qiáng)化，大變形和大應(yīng)變等能力</p><p>　　第3章有限元計(jì)算裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子方法的研究</p><p><b>　　3.1 斷裂理論</b></p><p&g

48、t;　　3.1.1 線彈性斷裂理論</p><p>　　線彈性斷裂理論的研究對(duì)象是帶有裂紋的線彈性體，其基礎(chǔ)是線彈性理論，也是研究和分析壓力容器脆斷理論基礎(chǔ)。一般金屬材料在裂紋擴(kuò)展前，其裂紋端部都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)塑性區(qū)，當(dāng)塑性區(qū)尺寸很小時(shí)，線彈性斷裂理論分析仍然可以保證其精確度。但是如果在裂紋擴(kuò)展前，其裂紋端部塑性區(qū)尺寸已接近或者超過裂紋本身尺寸，即為大范圍屈服。此時(shí)，解決此類問題就要采用彈塑性斷裂理論。目前，線彈性斷

49、裂力學(xué)在核反應(yīng)堆工程、管道工程、橋梁、近海結(jié)構(gòu)等安全可靠性中得到應(yīng)用，為當(dāng)前核反應(yīng)堆冷卻管道和熱沖擊下核容器的斷裂控制提供了重要依據(jù)。</p><p>　　3.1.2 彈塑性斷裂理論</p><p>　　彈塑性斷裂理論研究的范疇包括大范圍屈服斷裂和全面屈服斷裂，它是人們對(duì)斷裂規(guī)律認(rèn)識(shí)的較高層次，是線彈性斷裂力學(xué)的發(fā)展，所以它能解決線彈性斷裂力學(xué)所不能解決的問題，同時(shí)在線彈性的范圍內(nèi)又必須與

50、線彈性斷裂力學(xué)等價(jià)。壓力容器斷裂分析借助彈塑性斷裂理論的研究，取得的跨越式的進(jìn)展。目前用于研究彈塑性斷裂理論的方法主要是COD法和J積分法。</p><p>　　3.1.3 裂紋的類型及其擴(kuò)展類型</p><p>　　壓力容器的低應(yīng)力脆斷幾乎都起源于裂紋。裂紋按其在構(gòu)件中所處的位置可分為穿透裂紋，埋藏裂紋和表面裂紋，如圖3-1所示。本文著重于表面裂紋的研究。表面裂紋就是指與構(gòu)件表面之一相接

51、觸的裂紋。裂紋擴(kuò)展的類型按照裂紋受力情況和裂紋面的相對(duì)位移方向，也分為三種，張開型、滑移型和撕裂型，如圖3-2所示。本文之研究I型裂紋，I型裂紋僅受垂直于裂紋面的拉應(yīng)力的作用。</p><p>　　圖3-1 三種類型裂紋圖</p><p>　　圖3-2 三種類型裂紋擴(kuò)展圖</p><p>　　3.2 應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算的基本理論</p><p&g

52、t;　　應(yīng)力強(qiáng)度因子是屬于線彈性階段內(nèi)的，它適用于脆性材料(如玻璃、陶瓷、巖石和冰)的斷裂和高強(qiáng)度鋼之類的脆性斷裂，此時(shí)的裂紋尖端無塑性變形或無明顯的塑性變形，甚本屬于彈性應(yīng)力的情況。但對(duì)于多數(shù)金屬材料而言，裂紋在擴(kuò)展前，在裂紋端部將有一個(gè)塑性區(qū)，當(dāng)此塑性區(qū)尺寸很小，即遠(yuǎn)小于裂紋尺寸時(shí)，此類斷裂稱為小范圍屈服斷裂，用考慮小范圍屈服的塑性修正斷裂準(zhǔn)則來討論其斷裂問題，線彈性斷裂力學(xué)仍有足夠的精度，居于線彈性斷裂力學(xué)納范疇。這種情況可用應(yīng)力

53、強(qiáng)度因子K進(jìn)行擴(kuò)展判據(jù)或考慮小范圍屈服修正的斷裂判據(jù)來討論其脆斷問題。但在工程中還經(jīng)常遇到另一類斷裂問題，即所謂大范圍屈服斷裂與全面屈服斷裂問題。例如由中、低強(qiáng)度鋼制成的構(gòu)件，由于其韌度較高(除了低溫、厚截面或高應(yīng)變速率情況外)，裂紋在擴(kuò)展前，其端部的塑性區(qū)尺寸已接近甚至超過裂紋尺寸，這類斷裂即屬于大范圍屈服斷裂問題。另外如壓力容器上的接管部位，由于存在很高的局部應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力。致使這一地區(qū)的材料處于全面屈服狀態(tài)，在這種高應(yīng)變的塑性

54、區(qū)中，較小的裂紋也可能擴(kuò)展而引起斷裂，這類問題屬于全面屈服斷裂問題。大范圍屈服斷裂與全面屈服斷裂均屬于彈塑性斷裂力學(xué)范疇，解決彈</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　在裂紋面上|??????°上式簡(jiǎn)化為：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><

55、;p>　　上下對(duì)稱時(shí)如圖3-3：</p><p><b>　　圖3-3</b></p><p><b>　　這時(shí)有：</b></p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><

56、;p><b>　　(3-5)</b></p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　線彈性斷裂力學(xué)中常用應(yīng)力強(qiáng)度因子K、J積分、G能量釋放率這三個(gè)參量來描述裂紋場(chǎng)。ANSYS能計(jì)算裂紋周圍的應(yīng)力分布，并能計(jì)算裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子K、J積分以及能量釋放率G等，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、精度高。ANSYS軟件給出了如圖3-4所示的

57、計(jì)算裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子K和J積分的示例。本文在此基礎(chǔ)上對(duì)工程中普遍應(yīng)用的圓筒壓力容器內(nèi)表面裂紋的SIF用ANSYS軟件進(jìn)行研究分析。</p><p>　　圖3-4 穿透裂紋板模型</p><p>　　裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子用ANSYS中的求法。首先說一下裂紋怎么畫，其實(shí)裂紋很簡(jiǎn)單。只要畫出裂紋的上下表面（線）就可以了，即使是兩個(gè)面（線）重合也一定要是兩個(gè)面（線）；如果考慮道對(duì)稱模型就更好辦了，裂紋

58、尖點(diǎn)左面用一個(gè)面（線），右邊用另外一個(gè)面（線），加上對(duì)稱邊界約束。再說一下裂尖點(diǎn)附近網(wǎng)格的劃分。ANSYS提供了一個(gè)KSCON的命令，主要是使得裂紋尖端的第一層單元變成奇異單元，用來模擬斷裂奇異性(singularity)。當(dāng)然這個(gè)步驟不是必須的，有的人說起用ANSYS算強(qiáng)度因子的時(shí)候就一定要用奇異單元，其實(shí)是誤區(qū)（原因下面解釋）好了，回到強(qiáng)度因子的計(jì)算。其實(shí)只要學(xué)過一些斷裂力學(xué)都知道，K的求法很多。就拿Mode I的K來說吧，ANSY

59、S自己提供了一個(gè)辦法（displacement extrapolation），中文可能翻譯作“位移外推”法，其實(shí)就是根據(jù)解析解的位移公式來對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的。具體分三步走：</p><p>　　第一步，先定義一個(gè)裂紋尖端的局部坐標(biāo)系，這是ANSYS幫助文件中有說的，其實(shí)如果你的裂紋尖端就是整體坐標(biāo)原點(diǎn)的話，而且你的x坐標(biāo)就順著裂紋，那這么做就沒有什么必要了。</p><p>　　第二步，

60、定義一個(gè)始于裂紋尖端的路徑,路徑的定義可以查看幫助，在索引里面查找fracture mechanics，找到怎么計(jì)算斷裂強(qiáng)度因子。</p><p>　　第三步，Nodal Calcs >Stress Int Factr ，這在后處理Postproc中。辦法是好，可是對(duì)于裂紋尖端的單元網(wǎng)格依賴性很大，所以用KSCON制造尖端奇異單元很重要。我們的經(jīng)驗(yàn)是路徑取的越靠近裂紋尖端得到的強(qiáng)度因子就越大，所以單元的劃分

61、最好是越仔細(xì)越好。</p><p>　　其實(shí)似乎也未必非要是這個(gè)樣子，因?yàn)槟阃耆梢圆挥肁NSYS自帶的這個(gè)位移外推法，你完全可以根據(jù)ANSYS算出來的位移和應(yīng)力來自己算一下或者說外推一下，假設(shè)你知道應(yīng)力或者位移在裂紋尖端的分布是什么，比如一型斷裂的K，這里Sy是y方向的應(yīng)力，因此如果畫K的曲線圖時(shí)，在r比較小的地方，基本上會(huì)是一個(gè)直線。為什么僅僅在這里是直線呢，因?yàn)槌隽诉@個(gè)區(qū)的話，就出了奇異主導(dǎo)區(qū)(singul

62、arity dominant zone)，應(yīng)力會(huì)受到遠(yuǎn)場(chǎng)的影響了。好了，就用這個(gè)近似直線區(qū)，把他擬合成一個(gè)直線方程，那么這條直線與K 軸的交點(diǎn)就是r~0時(shí)的 K值了，正是我們所要的東西。這里。這些描述起來似乎很難，不過你自己看看公式就知道怎么去推了。這樣做我們就可以不用KSCON功能了，那么裂紋尖端的那層單元不一定非要式奇異單元了，只要做到足夠的好就可以了。而且通過自己去外推擬合一下，你可以更加深入的了解一下ANSYS和斷裂力學(xué)的“內(nèi)幕

63、”。</p><p>　　當(dāng)然，還有別的辦法求應(yīng)力強(qiáng)度因子，同樣也不用在裂紋尖端搞“奇異性”。在斷裂力學(xué)中有兩種表征斷裂韌度的辦法，一個(gè)是應(yīng)力法（對(duì)應(yīng)于強(qiáng)度因子K），另外一個(gè)是能量法，對(duì)應(yīng)于能量釋放率G，當(dāng)然ANSYS不能夠求G，但是可以求 J 積分，它其實(shí)也是一個(gè)能量法則，J積分和K之間有著很簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)聯(lián)系，隨便查查書都有公式。</p><p>　　3.2.1 求解應(yīng)力強(qiáng)度因子</

64、p><p>　　ANSYS軟件中提供了所謂的“位移外推”法 來計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子。在線彈性范圍內(nèi),對(duì)于三維裂紋,裂紋尖端的局部位移場(chǎng)與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系為：</p><p>　　(3-7) </p><p>　　式中: u、v、w—如圖3-5所示裂紋尖端局部直角坐標(biāo)系下裂紋前端位移；</p><p&g

65、t;　　r —如圖3-5所示裂紋尖端局部柱坐標(biāo)系下坐標(biāo)；</p><p><b>　　G—材料剪切模量；</b></p><p>　　KI、KII、KIII—應(yīng)力強(qiáng)度因子；</p><p><b>　　v—為泊松比；</b></p><p>　　當(dāng)利用裂紋尖端節(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋

66、面節(jié)點(diǎn)的位移差存在下列關(guān)系：</p><p><b>　　(3-8) </b></p><p>　　圖3-5 三維裂紋的局部坐標(biāo)</p><p>　　在使用有限元法進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算時(shí)，由于常規(guī)單元在裂紋尖端存在奇異性，為使計(jì)算準(zhǔn)確，必須在裂紋尖端使用細(xì)小的單元；如果使用奇異元,即使用二次三角(或五面體)單元,并將靠近裂紋尖端的中間節(jié)點(diǎn)置于1

67、/4處,則位于沿裂紋尖端的單元邊上的應(yīng)力和應(yīng)變與成正比，而位移與成正比，這樣應(yīng)力強(qiáng)度因子就消除了奇異性，也就是說，可以用相對(duì)比較稀疏的單元得到精度較高的結(jié)果。</p><p>　　3.2.2 求解J積分</p><p>　　J積分定義為一個(gè)圍繞裂尖的線積分(二維) 或一個(gè)圍繞裂紋前沿的面積分。它用計(jì)算裂紋尖端的奇異應(yīng)力和應(yīng)變,與積分路徑無關(guān)。為了避開裂紋尖點(diǎn)的奇異性,取得較好的精度,積分路

68、徑一般取得離裂紋尖點(diǎn)較遠(yuǎn)。J 積分形式如圖3-6所示，其表達(dá)式如下：</p><p>　　(3-9) </p><p>　　式中：W—應(yīng)變能密度(單位體積應(yīng)變能)；</p><p>　　Г—圍繞裂紋尖點(diǎn)任意路徑；</p><p>　　—X 方向的作用向量, ；</p><p>　　—Y方向的作

69、用向量, ；</p><p>　　n—積分路徑的外法向向量；</p><p><b>　　s—積分路徑距離。</b></p><p>　　圖3-6圍繞裂紋尖端的任意一條J積分路徑</p><p>　　在ANSYS中，為了計(jì)算位移向量的偏導(dǎo)數(shù)與，將積分路徑向x正負(fù)方向分別移動(dòng)Δx/2，并求出路徑Γ+Δx/2上各點(diǎn)的位移u

70、x1和uy1以及路徑Γ-Δx/2上各點(diǎn)的ux1和uy1，則：</p><p>　　(3-10) </p><p>　　ANSYS 具有強(qiáng)大的后處理功能,利用此功能,在求解后可以通過ANSYS通用后處理器中的單元列表功能,很方便地把各變量映射到自定義的路徑中去。路徑操作中提供了積分運(yùn)算,被映射到路徑上的變量經(jīng)過運(yùn)算,最后沿路徑積分就得到了一種模型在特

71、定工況下的J 積分值。</p><p>　　3.3 奇異元求解SIF的方法</p><p>　　采用KSCON命令對(duì)裂紋尖端進(jìn)行奇異元網(wǎng)格化分，網(wǎng)格劃分整體效果如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 模型分網(wǎng)圖</p><p>　　圖3-8 裂紋尖端奇異元(奇異元邊長(zhǎng)0.15)</p><p>　　比理論解1.

72、0249，誤差-33%?？梢娖娈愒拇笮〔皇请S意的。</p><p>　　通過改變奇異元的大小以及相近單元的疏密可以改進(jìn)該法的計(jì)算精度。例如將“KSCON，1，0.15，1，8”，改為“KSCON，1，0.2，1，8”時(shí)，誤差變?yōu)?29%；改為“KSCON，1，0.1，0.75，8”時(shí)，誤差變?yōu)?0.2%。顯然結(jié)果不穩(wěn)定。這里不再進(jìn)一步探討。</p><p>　　3.4 裂紋面位移外推法&

73、lt;/p><p>　　3.4.1 ANSYS的三點(diǎn)外推法</p><p>　　ANSYS的裂紋面位移外推法是通過取裂紋尖端點(diǎn)和裂紋面上兩個(gè)點(diǎn)，在三點(diǎn)之間進(jìn)行插值計(jì)算，最后通過名為KCALC的宏命令流來實(shí)現(xiàn)的。圖3-9中顯示取點(diǎn)的位置。</p><p>　　圖3-9 裂紋面三點(diǎn)位移外推法中的選點(diǎn)位置</p><p>　　選點(diǎn)位置不同可有不同的計(jì)算

74、結(jié)果。4次不同選點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果如下：</p><p>　　1.0555，1.0596，1.0588，1.0560</p><p>　　平均值為 1.057與理論解相比誤差為+3%。</p><p>　　實(shí)踐表明，如果選點(diǎn)太靠近或太遠(yuǎn)離裂紋尖端，都會(huì)得到偏小的結(jié)果。</p><p>　　3.4.2 多點(diǎn)外推法</p><p&g

75、t;　　在另外相類似的例子上按照前述理論在裂紋面上選用多點(diǎn)如圖3-10。</p><p>　　圖3-10 裂紋面多點(diǎn)位移外推法的選點(diǎn)</p><p>　　圖3-11 裂紋面多點(diǎn)位移外推法的位移外推情況（用x為自變量外推）</p><p>　　圖3-12 裂紋面多點(diǎn)位移外推法的位移外推情況（用r為自變量外推）</p><p>　　從兩圖的數(shù)據(jù)

76、點(diǎn)分布情況來看，由于裂紋尖端鈍化影響使得近裂紋尖端點(diǎn)明顯下滑。近尖端數(shù)據(jù)段沒有用來外推的線性分布段（A+Br）。值得注意的是：以變形后的實(shí)際自變量r來外推卻沒有或有也不太好的線性數(shù)據(jù)分布段，而僅以x為自變量外推卻通常都有較好的線性數(shù)據(jù)分布段。外推的結(jié)果都小于理論解10%左右。用r作自變量小得更多。這揭示了一個(gè)很重要的問題：用來對(duì)比的理論解都是在線彈性的范圍內(nèi)不考慮裂紋尖端的實(shí)際鈍化情況下得到的。而實(shí)際應(yīng)該是不管載荷多大，也不管是線彈性還

77、是彈塑性，裂紋尖端總是要變成不同程度上的圓弧形，這已經(jīng)不是原理論上的裂紋尖端了。因此SIF變得較低。這是正常的。這就是說，線彈性理論解應(yīng)該是高出實(shí)際10%左右。</p><p><b>　　3.5 J積分法</b></p><p>　　ANSYS提出的J積分法和相應(yīng)的命令流是針對(duì)圖3-2的問題而具體設(shè)計(jì)的。積分路徑也是針對(duì)該具體問題而自動(dòng)找出并進(jìn)行積分的。不能把它用在

78、別的問題上。在消化該程序的基礎(chǔ)上，我們自編了可以靈活用于其它類型問題上的J積分命令流。其特點(diǎn)是：</p><p>　　1、裂紋尖端坐標(biāo)可以是任意的。應(yīng)用時(shí)，將實(shí)際裂紋尖端點(diǎn)坐標(biāo)輸入即可。</p><p>　　2 、J積分路徑可自由選取，包括構(gòu)成積分路徑的結(jié)點(diǎn)選取。</p><p>　　3、給出積分路徑的適用范圍。具體從圖3-13中看出。小到繞奇異元輪廓的積分路徑和大

79、到裂紋唇口的積分路徑都不可用，其結(jié)果都遠(yuǎn)離藍(lán)線標(biāo)記的理論解。離開這兩個(gè)極端點(diǎn)及其附近后，積分值都是比較穩(wěn)定的。在積分回路矢徑長(zhǎng)為計(jì)算用裂紋長(zhǎng)的0.15倍時(shí)剛好與理論解吻合。</p><p>　　圖3-13 J幾分自選點(diǎn)圖</p><p>　　第4章 圓筒內(nèi)壁裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子有限元分析</p><p>　　4.1 模型的參數(shù)與載荷工況</p><p

80、>　　在實(shí)際的壓力容器中一種常見的破壞形式就是裂縫，并且大多數(shù)為橢圓形的表面裂縫，但因其研究起來比較困，而在裂縫中穿透的直裂縫是最危險(xiǎn)的情況，所以本章中將主要討論圓筒內(nèi)表面裂縫在幾種不同情況下的應(yīng)力強(qiáng)度因子，進(jìn)行對(duì)比分析，以得出裂紋數(shù)，裂紋深度，壁率對(duì)裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。具體參數(shù)和工況如下： </p>

81、;<p>　　4.1.1 圓筒內(nèi)表面裂紋數(shù)目對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響</p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度l=0.2m，內(nèi)壁有一條裂縫的空心圓（如圖4-1）環(huán)進(jìn)行分析，本文所研究的模型為平面Ⅰ裂紋模型，幾何模型如下圖所示：</p><p>　　（2）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度l=0.2m，內(nèi)壁有兩條裂縫的空心圓（如圖

82、4-2）環(huán)進(jìn)行分析，本文所研究的模型為平面Ⅰ裂紋模型，幾何模型如下圖所示：</p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度l=0.2m，內(nèi)壁有四條裂縫的空心圓（如圖4-3）環(huán)進(jìn)行分析，本文所研究的模型為平面Ⅰ裂紋模型，幾何模型如下圖所示：</p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度l=0.2m，內(nèi)壁有八條裂縫的空心圓（如圖4-

83、4）環(huán)進(jìn)行分析，本文所研究的模型為平面Ⅰ裂紋模型，幾何模型如下圖所示：</p><p>　　圖4-1 圓筒內(nèi)壁一裂縫模型 圖4-2 圓筒內(nèi)壁二裂縫模</p><p>　　圖4-3 圓筒內(nèi)壁四裂縫模型 圖4-4 圓筒內(nèi)壁八裂縫模型</p><p>　　4.1.2 圓筒內(nèi)表面裂紋深度對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響

84、</p><p>　　（1）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度a=0.2m，四條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析。 (幾何模型如圖4-3) </p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度a=0.3m，四條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析。(幾何模型如圖4-3，不同的是其中a=0.3m)</p><p&

85、gt;　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度a=0.4m，四條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析。(幾何模型如圖4-3，不同的是其中a=0.4m)</p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度a=0.5m，四條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析。(幾何模型如圖4-3，不同的是其中a=0.5m)</p><p>　　4.1.3 圓筒內(nèi)表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子與壁率的

86、關(guān)系 </p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=1m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度l=0.2m，四條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析。（幾何模型如圖4-3，但是此時(shí)內(nèi)徑r=1m，外徑R=3m） </p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=1.5m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度l=0.2m，四條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析。（幾何模型如圖4-3，但是此時(shí)內(nèi)

87、徑r=1.5m，外徑R=3m）</p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度l=0.2m，四條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析。（幾何模型如圖4-3）</p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2.5m，外徑R=3m，裂紋長(zhǎng)度l=0.2m，四條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析。（幾何模型如圖4-3，但是此時(shí)內(nèi)徑r=2.5m，外徑R=3m）</p><p

88、>　　4.1.4 圓筒內(nèi)半橢圓裂紋數(shù)目對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響</p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋深度a=0.2m，裂紋長(zhǎng)度c=0.4，內(nèi)壁有一條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析，本文所研究三維半橢圓裂紋模型。</p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋深度a=0.2m，裂紋長(zhǎng)度c=0.4，內(nèi)壁有兩條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析，本文所

89、研究三維半橢圓裂紋模型。</p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋深度a=0.2m，裂紋長(zhǎng)度c=0.4，內(nèi)壁有四條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析，本文所研究三維半橢圓裂紋模型。</p><p>　?。?）模型幾何參數(shù)為內(nèi)徑r=2m，外徑R=3m，裂紋深度a=0.2m，裂紋長(zhǎng)度c=0.4，內(nèi)壁有八條裂縫的空心圓環(huán)進(jìn)行分析，本文所研究三維半橢圓裂紋模型。</p&g

90、t;<p>　　4.2 平面裂縫有限元分析</p><p>　　在本文中采用ANSYS單元中的8節(jié)點(diǎn)PLANE183進(jìn)行建模分析平面裂紋。并且考慮到模型結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，根據(jù)不同裂紋情況進(jìn)行分析模型的選取。具體操作步驟如下：</p><p>　　4.2.1 不同裂縫數(shù)的圓筒內(nèi)壁裂縫有限元分析</p><p>　?。?）圓筒內(nèi)壁單裂紋的有限元分析 </

91、p><p>　　根據(jù)對(duì)稱性，單裂紋可以取1/2模型，采用8節(jié)點(diǎn)PLANE183進(jìn)行分析，其模型如圖4-5所示。 由于裂紋前緣的應(yīng)力場(chǎng)存在一個(gè)數(shù)學(xué)上無限大的奇異點(diǎn)，一般多項(xiàng)式有限元很難模擬，除非在裂紋前緣附近用很小很密的單元。因此本文中裂紋前緣采用等參退化奇異單元，以適應(yīng)該處的應(yīng)力奇異。經(jīng)過多次嘗試和對(duì)比，得出以下結(jié)論：圍繞裂紋尖端點(diǎn)的奇異單元應(yīng)盡量密一些，第一排單元半徑為0.02，所得結(jié)果與理論值比較誤差較小，具體網(wǎng)

92、格劃分見圖4-6所示，圖4-7為裂紋尖端奇異元的網(wǎng)格劃分。根據(jù)圓筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及受力特點(diǎn)，其力邊界和位移邊界做如下處理：（1）位移邊界條件：在沿著壁厚的兩個(gè)邊上做對(duì)稱約束； </p><p>　　力與邊界條件：圓筒內(nèi)壁受到內(nèi)壓作用，同時(shí)應(yīng)注意在裂紋斷開處不加對(duì)稱約束。</p><p>　　具體如圖4-8所示。最后得到模型的整體變形圖如圖4-9。在后處理中我們一次得到了裂紋尖端的切應(yīng)力，環(huán)向

93、應(yīng)力和徑向應(yīng)力的等值線圖分別如圖4-10，4-11，4-12所示。 </p><p>　　圖4-5 一裂紋模型圖 圖4-6 模型分網(wǎng)圖 </p><p>　　圖4-7 裂紋尖端分網(wǎng)圖 4-8 模型加載圖 </p><p>　　圖4-9一裂紋整體變

94、形圖 圖4-10 切應(yīng)力等值曲線圖 </p><p>　　圖4-11 環(huán)向應(yīng)力等值曲線圖 圖4-12 徑向應(yīng)力等值曲線圖 </p><p>　　在后處理中分別用奇異元和J積分的方法求得的應(yīng)力強(qiáng)度因子結(jié)果如下：</p><p>　　表4-1 單裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果</p>

95、<p>　　當(dāng)在裂紋面上也施加載荷時(shí)得到了此時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果如下表：</p><p>　　表4-2 單裂紋裂紋面受內(nèi)壓時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果</p><p>　　通過對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)了在裂縫的表面受到內(nèi)壓的時(shí)候得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子比不受內(nèi)壓的時(shí)候要大的多，其實(shí)經(jīng)過分析我們不難發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)，通過上面的對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)裂縫張開到一定程度（裂紋面開始受內(nèi)壓）時(shí)，容器將會(huì)處于非常

96、危險(xiǎn)的狀態(tài)，非常容易損壞。</p><p>　?。?）圓筒內(nèi)壁均布二裂紋的有限元分析</p><p>　　根據(jù)情況將模型取為整體的1/4，同樣采用8節(jié)點(diǎn)PLANE183進(jìn)行分析，其模型如圖4-13所示，分網(wǎng)圖如4-14，加載圖如4-15，變形圖如4-16。</p><p>　　圖4-13 均布二裂紋模型圖 圖4-14 均布二裂紋模型分網(wǎng)

97、圖</p><p>　　圖4-15 均布二裂紋模型約束與加載圖 圖4-16 均布二裂紋模型變形圖 </p><p>　　最后分別用奇異元法和J積分求得的結(jié)果如下：</p><p>　　表4-3 均布二裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算</p><p>　　（4）圓筒內(nèi)壁均布四裂紋的有限元分析</p><p&g

98、t;　　根據(jù)情況將模型取為整體的1/8，同樣采用8節(jié)點(diǎn)PLANE183進(jìn)行分析，其模型如圖4-17所示，分網(wǎng)圖如圖4-18所示，加載圖如圖4-19所示，整體變形圖如圖4-20所示。</p><p>　　圖4-17 均布四裂紋模型圖 圖4-18 均布四裂紋模型分網(wǎng)圖</p><p>　　圖4-19 均布四裂紋模型約束與加載圖 圖4-20 均布四裂紋模型變形圖

99、</p><p>　　J積分求得的結(jié)果如下：</p><p>　　表4-4 均布四裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果</p><p>　　（5）圓筒內(nèi)壁均布八裂紋的有限元分析</p><p>　　根據(jù)情況將模型取為整體的1/16，同樣采用8節(jié)點(diǎn)PLANE183進(jìn)行分析，其模型如圖4-21所示，分網(wǎng)圖如圖4-22，加載圖如4-23，變形圖如4-24。&l

100、t;/p><p>　　圖4-21 均布八裂紋模型圖 圖4-22 均布八裂紋模型分網(wǎng)圖</p><p>　　圖4-23 均布八裂紋模型約束與加載圖 圖4-24 均布八裂紋模型變形圖 </p><p>　　最后分別用奇異元法和J積分求得的結(jié)果如下：</p>

101、;<p>　　表4-5 均布八裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果</p><p>　　（6）在壁率為1.5，裂縫深度為0.2m時(shí)，裂紋數(shù)目與圓筒內(nèi)壁裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系如表：</p><p>　　表 4-6 不同裂縫數(shù)目的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果對(duì)比</p><p>　　圖4-25 應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂縫數(shù)目變化曲線</p><p>　　由

102、曲線和表格里面的數(shù)據(jù)我們不難發(fā)現(xiàn)不同的裂紋數(shù)的應(yīng)力強(qiáng)度因子不同，并且除了在裂紋數(shù)為二處，多裂縫的裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子K隨著裂紋數(shù)目的增加而減小,在裂紋數(shù)目為二的時(shí)候應(yīng)力強(qiáng)度因子最大，經(jīng)過老師的指點(diǎn)和查閱的文獻(xiàn)顯示，之所以最大是因?yàn)楫?dāng)數(shù)目為二時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加彎矩作用，并且在裂紋數(shù)目增多時(shí)會(huì)出現(xiàn)裂紋松弛現(xiàn)象，還有許多其他因素，這里不做過多研究。</p><p>　　4.2.2 不同裂紋深度的圓筒內(nèi)壁裂縫有限元分析</

103、p><p>　　在分析不同裂紋深度的圓筒內(nèi)壁裂縫時(shí)，所采用的模型都是裂紋數(shù)為四壁率（外徑與內(nèi)徑的比值）為1.5，只是此時(shí)的裂紋深度不同的情況，所以具體計(jì)算過程與4.2.1中的四裂縫有限元分析基本相同。經(jīng)過計(jì)算分析得到結(jié)果如下表：</p><p>　　表4-7 不同裂紋深度裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果對(duì)比</p><p>　　圖4-26 應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋深度的變化曲

104、線</p><p>　　在曲線上我們可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力強(qiáng)度因子的值隨著裂紋深度的變大而不斷變大，這說明在其他情況相同的情況下裂紋越深，越危險(xiǎn)。</p><p>　　4.2.3 不同壁率的圓筒內(nèi)壁裂縫有限元分析</p><p>　　在分析不同壁率的圓筒的內(nèi)壁裂縫時(shí)，所采用的模型都是裂紋數(shù)為四，裂縫深度為0.2m。只是此時(shí)的裂紋深度不同，所以具體計(jì)算過程與4.2.1中的四裂縫

105、有限元分析基本相同。經(jīng)過計(jì)算分析得到結(jié)果如下表：</p><p>　　表4-8 不同壁率裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算結(jié)果對(duì)比</p><p>　　由表格數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)壁率（外內(nèi)徑的比值）越小，應(yīng)力強(qiáng)度因子的值越大。</p><p>　　4.2.4 平面裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子的回歸分析</p><p>　　為了更加清楚的表現(xiàn)出裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂紋的深

106、度，壁率的變化規(guī)律，在做結(jié)果分析的時(shí)候發(fā)現(xiàn)上面已經(jīng)做過的那些數(shù)據(jù)點(diǎn)還是不能很好的在回歸分析的時(shí)候反映出應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋的深度，壁率的變化規(guī)律，我們經(jīng)過多次的計(jì)算分析，又加上了一些新的數(shù)據(jù)點(diǎn)，找到了最適合研究此問題的計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)分布如圖4-27。</p><p>　　圖4-27 研究裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂紋深度、壁率變化規(guī)律的 </p><p>　　計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)分布圖（N=4）</p>