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第六章  結(jié)  論

輸氣管道動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展與止裂的研究目前還處于不完善的階段。工程上現(xiàn)有的止裂韌性判斷方法基本都是從有限的全尺寸實(shí)驗(yàn)歸納出經(jīng)驗(yàn)性的判據(jù)公式，再通過代入小試件實(shí)驗(yàn)測(cè)得的斷裂韌性做出簡(jiǎn)單判斷。這種方法只能給出簡(jiǎn)單的臨界韌性參數(shù)，無法模擬與裂紋擴(kuò)展的過程密切相關(guān)的其他變量。

另一方面，隨著管線輸送技術(shù)的發(fā)展，高壓力，高韌性鋼管逐漸投入使用。此時(shí)傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)手段會(huì)產(chǎn)生與斷裂無關(guān)的顯著能量散失。即使最成熟的Battelle雙曲線法，其在高韌性條件下的準(zhǔn)確程度也受到了廣泛質(zhì)疑。

針對(duì)以上問題，本文工作以我國(guó)西氣東輸工程管線建設(shè)為背景，進(jìn)行了較為深入的研究，主要的貢獻(xiàn)和創(chuàng)新有以下各點(diǎn)：

1、將斷裂動(dòng)力學(xué)中的基本原理、基本方法和基本止裂判據(jù)與殼體動(dòng)力學(xué)有限元方法結(jié)合起來，利用氣體壓力模式確定管壁處的氣體壓力，形成了求解輸氣管道裂紋擴(kuò)展的數(shù)值分析方法。

對(duì)不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的穩(wěn)態(tài)裂紋驅(qū)動(dòng)力和材料的斷裂韌性的比較，可以得到裂紋是否持續(xù)擴(kuò)展的預(yù)測(cè)。發(fā)現(xiàn)在裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展的條件下，動(dòng)態(tài)能量釋放率G或裂紋尖端張開角CTOA同管道內(nèi)壓p_O或徑厚比SDR之間均呈線性關(guān)系。據(jù)此可以簡(jiǎn)捷地推算任意設(shè)計(jì)參數(shù)下的裂紋驅(qū)動(dòng)力。所得到的各向應(yīng)力與位移的數(shù)值，對(duì)分析管道變形量和強(qiáng)度性能具有重要的參考意義；

2、通過數(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)對(duì)于高韌性鋼管，塑性功耗散引起的動(dòng)能衰減不可忽略。根據(jù)瞬態(tài)裂紋擴(kuò)展條件下的整體能量平衡方程，在有限元中構(gòu)造了求解瞬時(shí)速度的迭代算法。其中表征材料韌性的參數(shù)G_d（v）在計(jì)算中作為已知函數(shù)代入，創(chuàng)建了基于韌性減速機(jī)理的迭代減速模式，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合；

3、發(fā)展了雙試件DWTT實(shí)驗(yàn)測(cè)定G_d(v）的方法。利用已有的全尺寸真實(shí)裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)，建立了通過夏比沖擊功估算G_d的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ�，將G_d的測(cè)定推廣到常用的CVN和DWTT方法，并考察了具有上臺(tái)能的高韌性鋼管的CVN和DWTT兩種動(dòng)態(tài)韌性隨溫度的變化以及二者之間的關(guān)系，分析了斷口分離與能量平臺(tái)的形成原因，結(jié)合具體材料進(jìn)行了實(shí)測(cè)；

4、利用有限元程序求解瞬態(tài)裂紋擴(kuò)展的CTOA，結(jié)合（CTOA)c的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，形成判斷止裂的幾何判據(jù)，從方法上解決了CVN和DWTT方法在測(cè)定高韌性管道時(shí)的尺寸效應(yīng)和無關(guān)能量散失；

5、以有限體積法為基礎(chǔ)，對(duì)非定�？蓧嚎s的Navie-Stokes方程進(jìn)行了離散和求解。本文考慮了空氣和甲烷的兩相成分，利用PFRAC計(jì)算出某時(shí)刻管壁的變形狀態(tài)與節(jié)點(diǎn)速度，進(jìn)行非定常求解，收斂達(dá)到的定常狀態(tài)即裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展時(shí)隨體坐標(biāo)下的氣流場(chǎng)分布。沿管道某一軸線，壓力與軸向坐標(biāo)的關(guān)系可看作裂紋途經(jīng)的某點(diǎn)從裂紋前端到后端的減壓歷史。

對(duì)含動(dòng)態(tài)裂紋的高壓輸氣管道的流場(chǎng)模擬結(jié)果表明，氣體壓力模式在裂紋充分發(fā)展至不考慮回流區(qū)影響的條件下，對(duì)高壓高韌性管道仍然成立，衰減長(zhǎng)度可取1.5至2倍直徑。該計(jì)算解得的壓力分布可直接應(yīng)用于有限元程序以提高裂紋擴(kuò)展與止裂的模擬精度。

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