40000字硕士毕业论文基于VB的工程缺陷管道风险评估策略分析

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：40000字

论点：裂纹,断裂,分析

论文概述：

对于无法通过理论解模块求解评定参数的更复杂缺陷结构，则通过对ANSYS进行二次开发，收录相应复杂结构的缺陷形式，用于获取安全评定所必需的评定参数。收录的缺陷结构包括平板、直管、

论文正文：

介绍

压力管道设计采用强度分析法。其出发点是避免塑性或屈曲损伤，但在设计中很少考虑裂纹因素。管道结构不可避免地存在各种缺陷。这些缺陷主要源于材料本身、制造过程和操作过程。然而，应力往往存在于缺陷部位，容易导致低应力脆性断裂。虽然通过增加止裂件、注胶和改进制造工艺降低了缺陷失效事故的发生率，但并不能完全消除管道的断裂和损坏。综上所述，缺陷的存在和缺陷位置的应力集中是失效的主要原因，强度分析方法不能反映缺陷结构的强度特性，因此研究含缺陷管道的断裂力学是非常必要的。由于管道中包含的缺陷是不可避免的，因此有必要运用断裂力学理论对缺陷结构进行分析，将结构中的缺陷尺寸、外载荷和材料断裂韧性定量联系起来，完成缺陷结构的安全评估和寿命预测，为工程结构的安全设计和材料选择原则提供理论依据。严禁使用危险裂缝结构，不得随意报废非危险裂缝结构，不仅减少了人员伤亡，还能有效降低经济损失。

1.1断裂力学理论的发展与应用
自1920年发展以来，断裂力学理论已成为一门独立的学科，并已广泛应用于航空空、化工、交通、机械等工程领域。断裂力学要解决三个主要问题:首先，获得材料的初始断裂特性；二是裂纹结构在外部载荷下是否断裂；再次，研究了外载荷作用下的裂纹扩展规律。根据裂纹尖端塑性区的大小，断裂力学的研究方向可分为线弹性和弹塑性。由于断裂力学最初是由线弹性发展而来的，所以目前线弹性断裂力学的发展相对成熟。然而，塑性较好的材料大多用于工程实践，因此很少发生完全脆性断裂。为了更好地研究断裂机理，弹塑性断裂力学发展迅速，并取得了一些成果。但是，由于裂纹尖端附近有大规模屈服的前提，理论研究比线弹性更困难，弹塑性断裂力学理论还有待完善。

1.1.1线弹性断裂力学理论的发展与应用
(1)1920年，英国科学家格里菲斯首次建立脆性断裂理论的基本框架，并首次提出裂纹扩展释放速率的概念，从能量的角度研究裂纹体的断裂。
(2)20世纪40年代后期，欧文和奥罗万独立建立了脆性断裂理论，并考虑了裂纹扩展前裂纹尖端的塑性变形，从而修正了格里菲斯理论。欧文于1957年完成了应力强度因子理论的基本框架，并提出了弹塑性材料的小尺度屈服理论。

2有限元模型的建立与验证

2。1有限元分析软件简介ANSYS
有限元法(FEM)是计算机出现后迅速发展起来的一种数值分析方法。基本概念是解决简单的问题，而不是复杂的问题。它将解域分成几个有限元，通过平衡条件导出解域，从而得到问题的解。实践证明，有限元法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状。目前，它已成为一种有效的工程分析方法。ANSYS是根据计算机数值分析的要求而开发的大型有限元分析软件。美国匹兹堡大学的约翰·斯旺森博士于1970年创立了ANSYS公司。公司致力于开发分析和设计软件——ANSYS。经过40多年的发展，ANSYS已经从只能计算热分析和线性分析的批处理程序转变为集成结构、热、流体、电场、磁场、声场等分析的大型通用有限元分析软件。还可以与多种计算机辅助设计软件接口，方便实现数据传输。目前，ANSYS已广泛应用于核工业、铁路、石化工业、航空空航空航天和机械制造等各个领域，并已成为仿真计算中不可或缺的工具。
结构分析是有限元分析方法最常用的应用领域之一，包括静态分析、模态分析、谐波分析、瞬态动态分析、显示动态分析等功能。静力分析适用于惯性和阻尼对结构没有显著影响的情况，主要用于求解外载荷引起的位移、应力和力。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，还可以进行非线性分析。

2.2裂纹元素的选择及缺陷模型的建立

2.2.1裂纹单元选择
ANSYS提供多种单元类型，以满足各种工程问题的模拟需要。如何选择单元格来影响结构分析结果。在求解线性弹性断裂力学和塑性非线性问题时，可以选择以下元素:
SOLID45和SOLID 185都是8节点结构分析元素，每个节点都有三个平移自由度。它具有塑性、蠕变、大变形和大应变的特点。不同之处在于SOLID185元素增加了元素形状函数的阶数，从而提高了计算精度。它在计算大变形、蠕变等高度非线性问题时具有较好的效果，支持区域积分法(求解/积分)和交互式积分法(本文中的求解应采用ANSYS11.0静态分析函数计算)，工程中常见的含裂纹结构安全评估所需的断裂参数可在线弹性或弹塑性条件下获得。

3周向裂纹光滑弯曲的有限元分析.............................................43-76
3.1有限元模型.............................................43-46
3.2内表面圆周裂纹光滑弯曲的有限元计算.............................................46-62 [/BR/] 3.3外表面圆周裂纹光滑弯曲的有限元计算.............................................62-66
3.3.1应力强度因子的结果和分析.............................................62-65 [/BR/] 3.3.2极限载荷结果和分析.............................................65-66
3.4带有圆周贯穿裂纹的光滑弯曲的有限元计算.............................................66-73
3.5本章概述.............................................73-76
4带有轴向贯穿裂纹的光滑弯管的有限元分析.............................................76-86
4.1应力强度因子的结果和分析.............................................76-79
4.2极限载荷结果和分析.............................................79-82 [/BR/] 4.4本章概述.............................................85-86
5.............................................86-97
5.1理论解决方案模块.............................................含缺陷管道安全评估专家系统5.1.1理论解主窗口86-88
.............................................86-87
5.1.2理论解决方案窗口.............................................87-88
5.2模拟解决方案模块.............................................88-93 [/BR/] 5.3安全评估模块.............................................93-96
5.4本章概述.............................................96-97

结论

(1)采用有限元方法验证了ANSYS计算应力强度因子和极限载荷的正确性。
(2)提出了一种裂纹实体建模方法。在不损失计算精度的情况下，模型构造简单，参数化效果好，适用范围广，可用于构造各种复杂的缺陷结构。
(3)建立弯管周向内壁、外壁和贯穿裂纹的有限元模型。计算了内压和弯矩作用下的应力强度因子和极限载荷，分析了裂纹半角E、纵向裂纹角8、周向裂纹角62及其影响。给出了内压作用下弯管内壁周向裂纹、开口弯矩作用下弯管内壁周向裂纹、内压作用下弯管外壁周向裂纹和内压作用下弯管周向贯穿裂纹的拟合公式。
(4)建立弯管轴向贯穿裂纹的有限元模型。计算了内压和弯矩作用下的应力强度因子和极限载荷，分析了裂纹半角、纵向裂纹角和周向裂纹角对二者的影响，给出了内压作用下弯管轴向贯穿裂纹极限内压的拟合公式。
(5)改进了最初为多载荷条件定义的极限载荷线法，提出了单位球法。
(6)准备有缺陷管道的安全评估专家系统。主线是GB/T 19264-2004《含缺陷重复使用压力容器的安全评估》中的评估方法，辅之以理论求解模块和模拟求解模块，用于获得安全评估所需的评估参数。理论求解模块主要基于EPRI手册，模拟求解模块通过ANSYS二次开发包含常见裂纹结构。