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申請(qǐng)清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文

題目：超高壓鋼制輸氣管道裂紋韌性減速機(jī)理的研究

培養(yǎng)單位：清華大學(xué)工程力學(xué)系

專業(yè)：固體力學(xué)

研究生：由小川

指導(dǎo)教師：范欽珊  教授

副指導(dǎo)教師：莊 茁  教授

摘要

管道軋制、焊接和鋪設(shè)工藝中形成的缺陷在內(nèi)部高壓氣體的作用下發(fā)生擴(kuò)展是導(dǎo)致輸氣管線開裂的主要原因。防止裂紋在管道上進(jìn)行快速擴(kuò)展是防災(zāi)減災(zāi)的生命線工程。超高壓鋼制管道的研制對(duì)材料的韌性提出了更高的要求，并直接導(dǎo)致了部分原有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降氖�效�?/p>

本文運(yùn)用動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)中宏觀唯象的研究方法結(jié)合有限元模擬，將動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)的基本原理、基本方法和止裂判據(jù)與殼體動(dòng)力學(xué)的有限元方法結(jié)合起來，利用氣體壓力模式確定管壁承受的載荷，形成了求解輸氣管道裂紋擴(kuò)展問題的數(shù)值分析方法。

對(duì)于高韌性鋼，塑性功卸載引起的熱耗散不可忽略。為此根據(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。其中以材料的熱耗散比率為主要構(gòu)成的動(dòng)態(tài)斷裂韌性由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，在計(jì)算中作為裂紋擴(kuò)展速度的函數(shù)代入，替代原有的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展模式，形成韌性減速機(jī)理。

為了測(cè)定計(jì)算需要的參數(shù)，推導(dǎo)了雙試件DWTT法測(cè)定熱耗散比率的公式，并將其推廣到常用的CVN和DWTT實(shí)驗(yàn)。考查了具有上臺(tái)能的高韌性鋼的CVN和DWTT韌性值隨溫度的變化以及相互關(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)。

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)，從根本上解決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。

數(shù)值求解了伴隨裂紋擴(kuò)展的高壓氣體逸出形成的復(fù)雜流場(chǎng)。選擇S-A湍流模型，利用有限體積法在非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格下對(duì)非定�？蓧嚎s的Navier-Stokes方程進(jìn)行了離散和求解。裂紋擴(kuò)展達(dá)到可忽略回流區(qū)影響的長(zhǎng)度后，對(duì)超高壓管道的求解結(jié)果與氣體壓力線性衰減模式吻合良好，衰減長(zhǎng)度可近似取1.5倍直徑。解得的壓力分布可應(yīng)用于動(dòng)態(tài)斷裂程序以提高裂紋擴(kuò)展與止裂的模擬精度。

本項(xiàng)目的研究成果為國(guó)家西部開發(fā)的重點(diǎn)項(xiàng)目西氣東輸工程提供了可靠性評(píng)估的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)斷裂，減速機(jī)理，數(shù)值模擬，韌性實(shí)驗(yàn)，輸氣管道

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