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1、大型儲罐角焊縫焊趾表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值計(jì)算魏化中*1，2張占武1丁克勤3舒安慶1，2(1．武漢工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院;2．武漢市壓力容器壓力管道安全技術(shù)研究中心;3．中國特種設(shè)備檢測研究院)摘要針對大型儲罐典型失效模式———角焊縫開裂，利用ANSYS建立有限元模型求得角焊縫焊趾附近精確應(yīng)力場;采用1/4節(jié)點(diǎn)奇異單元法和混合網(wǎng)格擴(kuò)展法建立角焊縫焊趾表面半橢圓裂紋模型并求解應(yīng)力強(qiáng)度因子;討論了裂紋深度半長比a/c、裂紋深度板厚比a/t、焊腳尺寸板厚比Lw/t和焊趾角θ對應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值分布的影響。計(jì)算
2、結(jié)果表明:角焊縫焊趾表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子沿裂紋前沿呈U形分布，在表面點(diǎn)取得最大;隨著裂紋深度a的增加，表面點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度因子有增大趨勢，而最深點(diǎn)的焊接放大效應(yīng)則逐漸減小。關(guān)鍵詞大型儲罐角焊縫焊趾表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子混合網(wǎng)格擴(kuò)展法中圖分類號TQ053．2文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0254-6094(2014)01-0088-07隨著國家石油戰(zhàn)略儲備庫和一批大型商業(yè)油庫的建成，目前國內(nèi)在役的10萬m3及以上的儲油罐已有數(shù)百臺，這些儲罐的安全運(yùn)行意義重大。儲罐常見的失效模式包括腐蝕和開裂，對于裂紋失效模式，最常見的
3、是角焊縫焊趾裂紋。大型儲罐盛裝的介質(zhì)大多腐蝕性較強(qiáng)，而且角焊縫處于結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，因此角焊縫裂紋的開裂機(jī)理一般屬于較低應(yīng)力水平的應(yīng)力腐蝕開裂，可作為線彈性斷裂問題來處理。對裂紋的研究，應(yīng)力強(qiáng)度因子是控制線彈性斷裂的重要參量，如果使用雙參數(shù)失效評定圖來進(jìn)行裂紋缺陷安全評價，應(yīng)力強(qiáng)度因子也是需要計(jì)算的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。求解應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法主要有解析法、實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值法，筆者采用數(shù)值法中的有限元法對儲罐角焊縫焊趾表面裂紋進(jìn)行建模求解。采用有限元法求解儲罐角焊縫焊趾表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子有兩個難點(diǎn)，一是裂紋及其擴(kuò)
4、展層有限元模型建立的復(fù)雜性。有限元法建立裂紋模型常用的方法是1/4節(jié)點(diǎn)奇異單元法，其難點(diǎn)在于裂尖奇異單元中節(jié)點(diǎn)的添加和奇異單元的擴(kuò)展［1］。1/4節(jié)點(diǎn)的添加可以通過ANSYS中的宏命令FＲACT來實(shí)現(xiàn);奇異單元擴(kuò)展成整體模型則是建模的關(guān)鍵，筆者提出利用混合網(wǎng)格擴(kuò)展方法實(shí)現(xiàn)裂紋奇異單元到整體有限元模型的擴(kuò)展。二是大型儲罐焊趾位置應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。大型儲罐的地基一般采用混凝土環(huán)梁地基與砂土地基組合的方式，在受壓的情況下兩地基的交界位置會發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致一段邊緣板翹離底面。這給理論公式計(jì)算罐壁下節(jié)點(diǎn)的應(yīng)
5、力帶來很大工作量，需要假設(shè)一段翹離長度進(jìn)行反復(fù)試算［2］。常用有限元軟件模型為罐底板－地基接觸模型。由于計(jì)算焊趾表面裂紋需要進(jìn)行三維建模，三維的接觸分析屬于非線性分析，加之大型儲罐有限元模型網(wǎng)格較多，計(jì)算一次耗時很長，且裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算又要進(jìn)行大量重復(fù)計(jì)算，必須建立可用于大量重復(fù)計(jì)算的有限元模型進(jìn)行求解。針對焊趾部位應(yīng)力場求解的困難，筆者討論了3D簡化約束模型用于變參數(shù)裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解。1混合網(wǎng)格擴(kuò)展方法文獻(xiàn)［3～5］討論了關(guān)于裂尖奇異單元模型*魏化中，男，1955年7月生，教授。湖北省武
6、漢市，430205。的建立。ANSYSVM143中給出了構(gòu)造裂尖奇異單元最關(guān)鍵的一步———添加1/4節(jié)點(diǎn)的宏命令裂紋深度比對應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值影響顯著。對于此次平板裂紋建模計(jì)算，裂尖奇異單元尺寸和裂紋深［7］FＲACT。在此基礎(chǔ)上討論裂尖奇異單元擴(kuò)展成整度比Lq/a保證在0．01～0．04之間，奇異單元個計(jì)算模型的方法。對于不復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以通過逐節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展法擴(kuò)展成六面體的整體模型(圖1)。在ANSYS中先確定邊界點(diǎn)，利用FILL命令填充節(jié)點(diǎn)，再通過生成單元的命令由節(jié)點(diǎn)生成單元，對于平板或者簡單圓筒體可
7、以利用逐節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展方法。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，逐節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展法的工作量則比較大，這種方法并不實(shí)用，但可以采用混合網(wǎng)格擴(kuò)展方法進(jìn)行擴(kuò)展，其建模過程如圖2所示。文獻(xiàn)［6］利用混合網(wǎng)格擴(kuò)展法進(jìn)行裂紋及其擴(kuò)展模型建模，并利用多節(jié)點(diǎn)耦合(MPC)方法處理連接的交界面。圖1逐節(jié)點(diǎn)生成的1/4平板半橢圓裂紋模型圖2混合網(wǎng)格擴(kuò)展法建模過程以平板表面半橢圓裂紋為例來說明混合網(wǎng)格擴(kuò)展法的實(shí)現(xiàn)過程，儲罐角焊縫焊趾表面裂紋有限元模型可通過類似方法建立。通過逐節(jié)點(diǎn)建模法建立奇異單元及其包圍層，沿橢圓裂紋前沿建10段單元，每段單元跨過的角度
8、按照橢圓弧長的等分?jǐn)?shù)換算得到。每段中裂尖單元沿圓周方向劃分16段，每段角度為22．5°。奇異單元的尺寸和包圍層和奇異單元尺寸間隔比設(shè)置為1。利用混合網(wǎng)格擴(kuò)展法將裂尖奇異單元及其包圍層與整體模型連接。奇異單元及其包圍層建好之后建立外圍幾何模型，并把裂尖單元及其擴(kuò)展層的位置挖空;外圍的幾何模型劃分完網(wǎng)格之后，將奇異單元及其擴(kuò)展層的網(wǎng)格和幾何模型上的網(wǎng)格進(jìn)行連接，保證交界面具有公共節(jié)點(diǎn)。圖3～5顯示了奇異單元及其包圍層與整個模型連接的過程。圖3奇異單元及其擴(kuò)展層的幾何模型
