PE管裂紋擴展過程研究范文

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《化工生產與技術雜志》2015年第一期

1仿真模型的建立

選取SDR11的pe100燃氣管，公稱外徑dn=160mm，公稱壁厚en=14.6mm。為了真實的模擬在役管道的狀況，消除邊界效應，減少邊界約束的影響，根據圣維南原理，有限元模型的長度至少取管線直徑的3～5倍，選管線為長1m。在管道偏離中間部位30mm處建立外徑180mm、厚度10mm、長20mm的金屬環，使之能約束管道在內部加壓時徑向的變形，減小裂紋擴展的動力，進而約束裂紋擴展。在管道的中間部位內表面建立狹窄長方體缺陷，缺陷的長、寬、高可變。有約束管道模型和有約束內表面缺陷模型分別見圖1和圖2。管件中間位置管內壁軸線方向的裂紋缺陷，尺寸范圍見表1。選用Solid187單元，材料的性能參數取EX（彈性模量）為890MPa，PRXY（泊松比）為0.41，金屬環的EX為200GPa，PRXY為0.3，管道內壓為1MPa。根據表1，可得出1440組不同的缺陷模型，產生1440組計算結果，最終得到不同尺寸缺陷下的應力分布。由應力集中理論可知，無論缺陷大小如何變化，應力集中點主要出現在缺陷端部的線或面上。因此，在每次計算過程中都提取缺陷端部節點的所有應力，提取出最大應力。缺陷計算應力云見圖3。

2結果與分析

由于裂紋寬度增加，會導致應力集中現象減弱，最大應力減小。為了簡化，只分析裂紋寬為1mm、長度由1mm增長到80mm，深度由1mm增長到9mm的情況。當有金屬環約束存在時，裂紋在擴展過程中，在長度接近30mm時開始受到金屬環的約束。裂紋長度超過50mm時，裂紋開始擺脫金屬環約束自由地向遠離金屬環的軸向增長傳播。有、無環向約束情況下裂紋最大應力變化規律如圖4所示。由圖4(a)可知，在無金屬約束環時，同一裂紋深度下，隨著裂紋長度的不斷增加，裂紋增長方向前端面的最大應力不斷增加，而且在長度較小的時應力增加較快，裂紋長度較大的時，最大應力增長速度有所減慢。隨著裂紋深度的增加，裂紋最大應力增加，最大達45.12MPa，已超過PE100管材的屈服極限。由此可知，當裂紋深度較大時候，裂紋會在動力的作用下不斷向外擴展，直至破裂。

由圖4(b)可知，有金屬環約束時，在同一裂紋長度下，隨著裂紋深度的增加，裂紋前端最大應力也呈增長趨勢。在裂紋軸向擴展開始階段（遠離約束），隨著裂紋長度的增加最大應力在不斷增加，但是在漸接近約束時，最大應力出現減小趨勢。裂紋在約束作用下擴展過程中隨著長度的增加，最大應力基本保持不變，較PE100材料的屈服極限小很多，即在沒有外力作用時裂紋一般不會再向外擴展。當裂紋長度增加到越過約束金屬環時，隨著裂紋長度的增加，裂紋最大應力又出現增大的趨勢。而且在長度為78mm、深度為9mm時，最大應力達到22.59MPa，接近管材的屈服極限。綜上分析表明，PE管外部金屬環對管道內部裂紋擴展具有抑制作用。

3結論

本研究對塑料管道內表面不同尺寸裂紋缺陷在有無約束的情況下進行了仿真分析，計算出不同尺寸缺陷在有無約束時的最大應力計算，通過分析得出以下結論：1)隨著裂紋缺陷的軸向和徑向發展，裂紋尖端最大應力值不斷的增大，可達到甚至超過管材的屈服極限。2)管材外表面有約束的存在，可有效降低裂紋的擴展速度和動力，從而減慢或阻止裂紋的進一步擴展。

作者：李俊李濤張應遷王仕芳單位：四川理工學院