申請清華大學工學博士學位論文

題目：超高壓鋼制輸氣管道裂紋韌性減速機理的研究

培養單位：清華大學工程力學系

專業：固體力學

研究生：由小川

指導教師：范欽珊  教授

副指導教師：莊 茁  教授

摘要

管道軋制、焊接和鋪設工藝中形成的缺陷在內部高壓氣體的作用下發生擴展是導致輸氣管線開裂的主要原因。防止裂紋在管道上進行快速擴展是防災減災的生命線工程。超高壓鋼制管道的研制對材料的韌性提出了更高的要求，并直接導致了部分原有經驗模式的失效。

本文運用動態斷裂力學中宏觀唯象的研究方法結合有限元模擬，將動態斷裂力學的基本原理、基本方法和止裂判據與殼體動力學的有限元方法結合起來，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展問題的數值分析方法。

對于高韌性鋼，塑性功卸載引起的熱耗散不可忽略。為此根據瞬態裂紋擴展條件下的整體能量平衡方程，在有限元中構造了求解瞬時速度的迭代算法。其中以材料的熱耗散比率為主要構成的動態斷裂韌性由實驗測得，在計算中作為裂紋擴展速度的函數代入，替代原有的穩態擴展模式，形成韌性減速機理。

為了測定計算需要的參數，推導了雙試件DWTT法測定熱耗散比率的公式，并將其推廣到常用的CVN和DWTT實驗。考查了具有上臺能的高韌性鋼的CVN和DWTT韌性值隨溫度的變化以及相互關系，分析了斷口分離與能量平臺的形成原因，結合具體材料進行了實測。

利用有限元程序求解瞬態裂紋擴展的CTOA，結合（CTOA)C的實驗測定，形成判斷止裂的幾何判據，從根本上解決CVN和DWTT方法在測定高韌性管道時的尺寸效應和無關能量散失。

數值求解了伴隨裂紋擴展的高壓氣體逸出形成的復雜流場。選擇S-A湍流模型，利用有限體積法在非結構性網格下對非定常可壓縮的Navier-Stokes方程進行了離散和求解。裂紋擴展達到可忽略回流區影響的長度后，對超高壓管道的求解結果與氣體壓力線性衰減模式吻合良好，衰減長度可近似取1.5倍直徑。解得的壓力分布可應用于動態斷裂程序以提高裂紋擴展與止裂的模擬精度。

本項目的研究成果為國家西部開發的重點項目西氣東輸工程提供了可靠性評估的依據。

關鍵詞：動態斷裂，減速機理，數值模擬，韌性實驗，輸氣管道

下一頁