基于ABAQUS的X80钢断裂失效行为模拟研究

第８卷第６期　水利与建筑工程学报　Ｖ０１．８　Ｎｏ．６　２０１　０年１　２月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＷａｔｅｒ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｄｅｃ．．２０１０　基于ＡＢＡＱＵＳ的Ｘ８０钢断裂失效行为模拟研究　李敏科　，李春强　（１．杨凌职业技术学院，陕西杨凌７１２１００；２．河北工程大学，河北邯郸０５６０３８）　摘要：基于大型通用有限元分析软件ＡＢＡＱＵＳ，对带细长型轴向表面裂纹的Ｘ８０钢压力管道进行了平　面弹塑性断裂分析，得出了不同裂纹深度Ｘ８０钢管道断裂时的塑性失效压力数值及裂纹尖端附近的应　力场。结果表明，有限元分析得到的塑性失效压力值与理论预测数值基本吻合，且随着裂纹深度的增　加，其值逐渐减小，这说明预制裂纹越深，压力管道更容易发生塑性变形而断裂失效。　关键词：Ｘ８０钢；裂纹；塑性失效压力；裂纹尖端场　中图分类号：ＴＥ９７３．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２一ｌ１４４（２０１０）０６—０ｏ５９—０２　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｆｒａｃｔｕｒｅ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｘ８０　Ｓｔｅｅｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＢＡＱＵＳ　ＬＩ　Ｍｉｎ．ｋｅ　，ＬＩ　Ｃｈｕｎ．ｑｉａ　（１．Ｙａｎｇｌｉｎｇ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｄｕ￣ａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｙａｎｇｌｉｎｇ，Ｓｈａａｎｘｉ　７１２１００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＥ，ｇ／ｎ￣ｅｒ／ｎｇ，Ｈａｎｄａｎ，Ｈｅｂｅｉ　０５６０３８，Ｃｈ／ｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｌ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ｉｆｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＡＢＡＱＵＳ，ｔｈｅ　Ｘ８０　ｓｔｅｅｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｐｉｐｅ　ｗｉｔｈ　ｓｌｅｎｄｅｒ－ａｘ－　ｉｌａ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｒａｃｋｓ　ｉＳ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｏｎ　ｉｔｓ　ｐｌａｎａｒ　ｅｌａｓｔｉｃ．ｐｌａｓｔｉｃ　ｆｒａｃｔｕｒｅ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｌｓａｔｉｃ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖａｌｕｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｆｉｅｌｄ　ｎｅａｒ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｔｉｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｘ８０　ｓｔｅｅｌ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｐｉｐｅ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｒａｃｋ　ｄｅｐｔｈｓ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｄｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｒｅ　ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ　ｖａｌｕｅｓ．ａｎｄ　ｗｉｈｔ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｄｅｐｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｉｓ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ，ｗｈｉｃｈ　ｉｎｄｉｃａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅ—ｃｒａｃｋ，ｔｈｅ　ｅａｓｉｅｒ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｐｉｅｐｌｉｎｅ　ｔｏ　ｄｅｖｅｌｏｐ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｒａｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｘ８０　ｓｔｅｅｌ；ｃｒａｃｋ；ｐｌａｓｔｉｃ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｃｒａｃｋ　ｔｉｐ　ｆｉｅｌｄ　０前言　１压力管道的断裂力学分析　管道运输是石油、天然气最经济、最方便、最主要的运输　１．１含轴向裂纹管道的失效准则　方式之一，在能源输送方面具有重要的作用。在世界某些发　对带细长型轴向表面裂纹的Ｘ８０钢压力管道的失效压　达国家，油气管道输送约占油气总输送量的三分之二左右。　力进行预测。在对中、高韧度ｘ系列内压钢管实际破坏压力　因此，对于管道运输的安全性评估，一直以来是各方关注的　的分析基础上，文献…给出一个与管道、缺陷几何特性相关　重点。根据已有安全事故获悉，压力管道的失效往往是伴随　的ＰＣＯＲＲＣ公式，用于预测内压钢管的塑性失效压力：　着大量缓慢稳定的裂纹扩展达到临界的裂纹尺寸而发生的，　＝　准确地预测损坏管道的失效压力对于压力管道的断裂失效　｛　一÷【　一ｅｘｐ（一０．　５７志）】）ｃｔ，　行为研究具有重要的意义。　式中：Ｏ＇ｕａ是拉应力极限；Ｄ＝２Ｒ为管道的平均直径；ｔ是管　Ｘ８０级管线钢是１９８５年由德国Ｍａｎｎｅｓｍａｎｎ公司最先开　道壁厚度；ａ是裂纹深度；Ｌ是裂纹长度。对长裂纹来说，上式　发应用，（２０世纪６０年代末７０年代初，美国石油组织在ＡＰＩ　简化为　５ＬＸ和ＡＰＩ　５ＬＳ标准中提出了微合金控轧钢Ｘ５６、Ｘ６０、Ｘ６５三　＝　２ｔ（１一Ｔａ）　（２）　种钢。这种钢突破了传统钢的观念，碳含量为０．１％～　Ｘ８０钢压力管道的Ｏ＇ｕｔ８＝７３２　ＭＰａ，ｔ＝１８．４　ｍｉｌｌ，Ｄ＝　０．１４％，在钢中加入≤０．２％的Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ等合金元素，并通过　１　２１９唧。对于不同裂纹深度的Ｘ８０钢压力管道，根据上式可　控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善。到１９７３年和１９８５　以算出其塑性失效压力的预测值　一　。　年，ＡＰＩ标准又相继增加了Ｘ７０和Ｘ８０钢。）２ｏ世纪９ｏ年代　１．２裂纹尖端场　ＸＳＯ钢获得批量使用。工业发达国家普遍将ＸＳ０管线钢列　在线弹性断裂力学中，对于Ｉ型平面裂纹而言，其平面　为２１世纪石油、天然气输送管线的首选钢级。Ｘ８０钢也是目　应变状态下的裂纹尖端应力场与位移场具有如下形式ｌ２Ｊ：　前我国西气东输二线用钢，所以对Ｘ８０钢的失效压力预测和　裂纹尖端场的分析显得尤为重要。　收稿日期：２０１０－０９．１３　修回日期：２０１０．１０—１１　作者简介：李敏科（１９７２一），男（汉族），陕西歧山人，讲师，主要从事机械基础、水轮机及其安装的教学研究工作。　水利与建筑工程学报　第８卷　：　ｃｏ　Ｉ导（　—ｓ　一吼ｉｎ导ｓ“　“ｉｎ　Ｊ警）　ｃ。ｓＡＢＡＱＵＳ中，对于含预制裂纹的Ｘ８０钢压力管道，取裂纹张开　角０＝３０￣，裂纹深度。与管壁厚　之比ａ／ｔ分别取０．１、０．２、　（３）　：　∞　ｌ导（　＋ｓ　ｍｉｎ　“导ｓｉｎ　Ｊ萼）　ｃ。ｓ０．３，０．４和０．５，该模型发生断裂失效时裂纹尖端附近的Ｍｉｓ．　ｅＳ应力云纹如图２所示。　Ｋｌ　￣＇ｘｙｎ　０．０　“　∞　３０　“ｎ　√　ｃ。　５－　（Ｉ　（ｕ＋１ｌ—一　２ｃ。ｓ？—导）』１　ｌ　４　Ｍｎ＝　：　√　ｓｉｎ“　Ｉ导（　一　＋　厶¨２ｓｉ　导）Ｊｒ　』　　式中：Ｋ　为Ｉ型裂纹的应力强度因子；　为与材料泊松比ｕ有　关的参数，在平面应变情况下有　＝３—４ｖ　（５）　（ｒ，　）表示以裂纹尖端为坐标原点的局部极坐标系。　２有限元分析　２．１　Ｘ８０钢材料性能　通过对Ｘ８０钢进行室温下的拉伸实验，可得Ｘ８０钢在静　载作用下常见的三种失效形式，即过量的弹性变形、塑性变　形和断裂，标定出最基本的力学性能指标，即屈服强度（Ｏ＂ｓ）、　抗拉强度（　）等。根据ＧＢ／Ｔ２２８—２００２规定，选用标准的拉　伸试样，实验在ＭＴＳ一８８０型万能实验机上进行，最终可得　Ｘ８０钢的基本力学性能，如表１所示。　表１　Ｘ８０钢的力学性能　２．２有限元模型　使用ＡＢＡＱＵＳ对带细长型轴向表面裂纹的Ｘ８０钢压力　管道进行平面弹塑性断裂分析，计算裂纹尖端的应力场，确　定断裂塑性失效压力等。由于带轴向裂纹较长，故可简化为　以轴向为厚度方向的平面应力问题进行求解。根据其沿裂　纹面对称的特点，取整体模型的１／２建立几何模型＿３　Ｊ。根据　我国西气东输二线用钢要求，取管径Ｄ＝１　２１９　ｌｎｌｎ，壁厚　＝　１８．４啪ｌ引。在ＡＢＡＱＵＳ中对Ｘ８０钢压力管道进行网格划　分，裂纹尖端采用ＣＰＳ４Ｒ，即四节点非线性平面应力缩减积　分单元，其余部分采用ＣＰＳ３，即三节点线性平面应力单元　５　Ｊ。　裂纹尖端附近的网络划分图如图１所示。载荷均匀分布在　管道内壁上，并限制管道模型沿２方向的位移。　图１裂纹尖端附近网络划分图　２．３有限元计算结果　在弹塑性断裂时，裂纹随着端部的局部拉伸而发展。在　（ａ１ａ／ｔ＝０．１　ｆｂ１ａ／ｔ　０．２　（ｃ）ａ／ｔ　０．３　（ｄ）ａ／ｔ＝Ｏ．４　（ｅ）ａ／ｔ＝Ｏ．５　图２裂纹尖端附近的Ｍｉｓｅｓ云纹　由分析可知，对于带细长型轴向表面裂纹的Ｘ８０钢压力　管道，当外部载荷达到极限载荷时裂纹开始扩展。由有限元　分析可得裂纹管达到断裂失效时的失效压力值　，同时由　公式（１）可得失效压力的理论预测数值　一　，其值如表２所　示。由对比可知，由有限元分析得到的塑性失效压力值与理　论得到的预测值基本吻合。　表２有限元结果与实测值对比　同时，由图２可知，当Ｘ８０钢压力管道达到塑性破坏时，　其Ｍｉｓｅｓ应力的最大值产生在裂纹尖端附近，并由中心向周　围逐渐减小。如图３所示为Ｘ８０钢最大Ｍｉｓｅｓ应力值随裂纹　深度的变化关系。　由上可知，随着裂纹深度的增加　，压力管道的塑性失效　压力和内部承受的最大Ｍｉｓｅｓ应力值随之降低。这说明预制　裂纹越深，压力管道更容易发生塑性变形而断裂失效。　（下转第１３８页）　１３８　水利与建筑工程学报　来。　第８卷　３．２结果分析　由以上内力包络图知，刚架控制截面为斜梁两端面、柱　顶截面、柱脚截面及吊车作用处截面，选用材料后以计算出　的内力为依据可以查看软件自动分析结果，从软件计算文本　知，本工程所选构件均满足要求。　参考文献：　［１］杨秋呜．正确理解和掌握ＰＫＰＭ程序［Ｊ］．山西煤炭管理干部学　院学报，２Ｏ０６，（１）：１２４—１２５．　［２］戴国欣．钢结构（第３版）［Ｍ］．武汉：武汉理工大学出版社，　２００７．　４结语　［３］易富民，董伟．ＰＫＰＭ　ＳＴＳ钢结构设计一从入门到精通［Ｍ］．大　连：大连理工大学出版社，２０１０．　本文用ＰＫＰＭ中的ＳＩＳ模块建立了二维门式刚架内力计　算模型，通过计算得出门式刚架设计控制截面为：斜梁两端　面、柱顶截面、柱脚截面及吊车作用处截面，且由软件计算文　档知初选截面都能满足受力及变形要求。同时通过建模计　算将ＳＩＳ用于门式钢结构设计时便捷高效的优点体现了出　＝　‘　Ｊ　０　＾・：　＝　＾０：　＾●＝　＾＇　＾‘　＾　‘　ｔ＾　＝　＾＇＝　＾＇　：　‘　‘　‘　［４］ＧＢ５０００９－－２００１．建筑结构荷载规范［ｓ］．北京：中国建筑工业出　版社，２００２．　［５］ＣＥＣＳ１０２－－２００２．门式刚架轻型房屋钢结构技术规程［ｓ］．北京：　中国建筑工业出版社，２Ｏ０２．　ｃ‘　‘‘　‘　（上接第６ｏ页）　达到断裂破坏时，其Ｍｉｓｅｓ应力的最大值产生在裂纹尖端附　近，并由中心向周围逐渐减小。　（２）通过有限元分析得出了管道在断裂破坏时的塑性　失效压力数值，其值随裂纹深度的增加而降低，这说明预制　裂纹越深，压力管道更容易发生断裂失效。　参考文献：　［１ｊ　Ｄ．Ｆｅｍａｎｄｏ　ａｎｄ　Ｒ．Ｃｌａｎｄｉｏ，Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ　ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐ￣ｕｒｅ　ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ　ｗｉｔｈ　ａｘｉａｌ　ｆｌａｗｓ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．　裂纹深度ａ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＰｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌｓ　ａｎｄ　Ｐｉｐｉｎｇ，２００４，８１：７６１．　［２］张行．断裂与损伤力学［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，　图３最大Ｍｉｓｅｓ应力值随８的变化关系　２００６：４３９．　［３］李晓红，康永．基于ＡＮＳＹＳ管道缺陷承载行为研究［Ｊ］．承德石　３结论　油高等专科学校学报，２００９，１１（３）：３０．　本文对带细长型轴向表面裂纹的Ｘ８０钢压力管道进行　了平面弹塑性断裂分析，主要结果如下：　（１）对不同深度裂纹尺寸的Ｘ８０钢压力管道进行了有限　元分析，得出了管道断裂时裂纹尖端附近的应力值。当管道　世。’　、ｆ　’　。、　ｃ、　‘　、　‘、ｕ　’　’　‘　ｅ　ｄ　々　［４］孙宏，田鹏，王晓香．Ｘ８０钢级螺旋焊钢管力学性能研究［Ｊ］．压　力容器，２００９，２６（４）：１－４，３４．　［５］庄茁，由小川，瘳剑晖，等．基于ＡＢＡＱＵＳ的有限元分析和应用　［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００９：６２．　ｅ　籼　０２　●　ｅ　红　ｇ　（上接第６８页）　参考文献：　［１］洛河志编纂组．洛河志［Ｍ］．北京：中国科学技术出版社，１９９５．　［２］赵卫民，王庆斋，刘晓伟，等．黄河流域典型水文分区产流研究　［Ｍ］．郑州：黄河水利出版社，２００６：１９８．１９９．　［３］陈静，颜亦琪，狄艳艳，等．２００４年汛期黄河水情简析［Ｊ］．水利　与建筑工程学报，２００５，３（２）：４８—５０．　水的影响［Ｊ］．人民黄河，２００７，２９（１０）：３８－４１．　［５］　冯相明．伊洛河夹滩地区决溢洪水的模拟方法［ｃ］／／水利部黄　河水利委员会，黄河水文科技成果与论文选集．郑州：黄河水利　出版社，１９９６：２０９—２１４．　李海荣，慕平，王宝玉，等．伊洛河夹滩地区对伊洛河人黄洪水　的影响［Ｊ］　人民黄河，２０００，２２（１１）：２６－２７．　［４］李远发，曹丰生，王仲梅，等．伊洛河夹滩滞洪区对黄河下游洪　［７］　许珂艳，陶新，刘龙庆，等．２００３年９月洛河洪水产汇流特性分　析［Ｊ］．人民黄河，２００４，２６（１）：２２　２３．