第六章  結  論

輸氣管道動態(tài)裂紋擴展與止裂的研究目前還處于不完善的階段。工程上現(xiàn)有的止裂韌性判斷方法基本都是從有限的全尺寸實驗歸納出經(jīng)驗性的判據(jù)公式，再通過代入小試件實驗測得的斷裂韌性做出簡單判斷。這種方法只能給出簡單的臨界韌性參數(shù)，無法模擬與裂紋擴展的過程密切相關的其他變量。

另一方面，隨著管線輸送技術的發(fā)展，高壓力，高韌性鋼管逐漸投入使用。此時傳統(tǒng)的動態(tài)實驗手段會產(chǎn)生與斷裂無關的顯著能量散失。即使最成熟的Battelle雙曲線法，其在高韌性條件下的準確程度也受到了廣泛質疑。

針對以上問題，本文工作以我國西氣東輸工程管線建設為背景，進行了較為深入的研究，主要的貢獻和創(chuàng)新有以下各點：

1、將斷裂動力學中的基本原理、基本方法和基本止裂判據(jù)與殼體動力學有限元方法結合起來，利用氣體壓力模式確定管壁處的氣體壓力，形成了求解輸氣管道裂紋擴展的數(shù)值分析方法。

對不同設計參數(shù)下的穩(wěn)態(tài)裂紋驅動力和材料的斷裂韌性的比較，可以得到裂紋是否持續(xù)擴展的預測。發(fā)現(xiàn)在裂紋穩(wěn)態(tài)擴展的條件下，動態(tài)能量釋放率G或裂紋尖端張開角CTOA同管道內(nèi)壓p_O或徑厚比SDR之間均呈線性關系。據(jù)此可以簡捷地推算任意設計參數(shù)下的裂紋驅動力。所得到的各向應力與位移的數(shù)值，對分析管道變形量和強度性能具有重要的參考意義；

2、通過數(shù)值分析與實驗結果比較，發(fā)現(xiàn)對于高韌性鋼管，塑性功耗散引起的動能衰減不可忽略。根據(jù)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。其中表征材料韌性的參數(shù)G_d（v）在計算中作為已知函數(shù)代入，創(chuàng)建了基于韌性減速機理的迭代減速模式，所得結果與實驗吻合；

3、發(fā)展了雙試件DWTT實驗測定G_d(v）的方法。利用已有的全尺寸真實裂紋擴展數(shù)據(jù)，建立了通過夏比沖擊功估算G_d的經(jīng)驗模型，將G_d的測定推廣到常用的CVN和DWTT方法，并考察了具有上臺能的高韌性鋼管的CVN和DWTT兩種動態(tài)韌性隨溫度的變化以及二者之間的關系，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；

4、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(jù)，從方法上解決了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；

5、以有限體積法為基礎，對非定�？蓧嚎s的Navie-Stokes方程進行了離散和求解。本文考慮了空氣和甲烷的兩相成分，利用PFRAC計算出某時刻管壁的變形狀態(tài)與節(jié)點速度，進行非定常求解，收斂達到的定常狀態(tài)即裂紋穩(wěn)態(tài)擴展時隨體坐標下的氣流場分布。沿管道某一軸線，壓力與軸向坐標的關系可看作裂紋途經(jīng)的某點從裂紋前端到后端的減壓歷史。

對含動態(tài)裂紋的高壓輸氣管道的流場模擬結果表明，氣體壓力模式在裂紋充分發(fā)展至不考慮回流區(qū)影響的條件下，對高壓高韌性管道仍然成立，衰減長度可取1.5至2倍直徑。該計算解得的壓力分布可直接應用于有限元程序以提高裂紋擴展與止裂的模擬精度。

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