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(yǎng)單位：清華大學工程力學系

專業(yè)：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(fā)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(tài)斷裂力學中宏觀唯象的研究方法結合有限元模擬，將動態(tài)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(shù)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(tài)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(tài)斷裂韌性由實驗測得，在計算中作為裂紋擴展速度的函數(shù)代入，替代原有的穩(wěn)態(tài)擴展模式，形成韌性減速機理。

為了測定計算需要的參數(shù)，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(tài)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(shù)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(qū)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(tài)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(fā)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(tài)斷裂，減速機理，數(shù)值模擬，韌性實驗，輸氣管道

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