强度失配约束对管线钢断裂韧性影响的数值模拟研究

发布时间：2019-09-11 23:56

【摘要】：近年来,高压、大口径输送管道的发展与应用对管线钢的强度和韧性提出了更高的要求。管道焊接过程中,焊缝与母材很难做到同质等强度,因而一般焊接过程都存在强度失配问题。不同强度匹配对焊接接头的断裂行为具有显著影响,因此,研究强度失配对管道焊接接头断裂过程的影响具有重要的科学意义和工程应用价值。本文采用有限元数值模拟的方法研究强度失配约束对管线钢断裂韧性及韧性裂纹扩展阻力曲线行为的影响。首先,以弹塑性断裂力学理论为基础,基于细观塑性损伤模型,采用ABAQUS有限元软件对管线钢断裂力学试样,即单边缺口弯曲(SENB)和单边缺口拉伸(SENT)试样、宽板(WP)试样、修正边界层(MBL)模型以及周向表面裂纹管,在I型裂纹扩展下的断裂阻力曲线进行了有限元模拟计算。研究表明:试样几何形式(以几何约束Q参数来定量表征)对断裂韧性影响显著,随着Q值增大,断裂韧性降低;相比其他试样,SENT试样具有与管子更为接近的断裂阻力曲线行为。通过对SENB和SENT试样的断裂韧度(裂纹尖端张开位移,CTOD值)进行试验测试,进一步验证了有限元模拟计算的结果。其次,采用SENB、SENT以及表面裂纹管研究了强度失配约束对管线钢韧性断裂行为的影响,结果表明:强度匹配系数My(定义为焊材与母材屈服强度比值,本文取低配到高配范围0.8~1.3)对断裂韧性的影响显著。随着强度匹配系数增加,裂尖失配约束M减小(由正值转变为负值),断裂韧性增大。且随着裂纹扩展,失配约束M在相似的范围内变化,表明强度匹配系数对阻力曲线的影响程度与裂纹扩展量无关。另外,标准SENB试样的结果相较SENT更加保守。文中同时对不同钢级(X65,X80以及X100)的管线钢进行分析,结果表明失配约束对断裂韧性的影响规律一致,即高配且匹配系数越高时焊接接头的断裂韧性及阻力曲线越高;随匹配系数增加,失配约束M减小,管子的断裂韧性增大;不同强度匹配引起的失配约束差异随裂纹扩展而增大,且随着钢级的升高,失配约束的影响程度增大。最后,对大范围屈服条件下管线钢焊接接头强度匹配对断裂韧性影响的三维效应进行了有限元模拟计算分析。结果表明:对于3D SENB,沿其厚度方向上各面的CTOD-CMOD(Crack Mouth Opening Displacement,裂纹嘴张开位移)曲线存在明显的3D效应,随着强度匹配系数增加,CTOD-CMOD曲线的3D效应增大,距离对称面越近的面CTOD-CMOD曲线相对越高。不同强度匹配系数下试样对称面上的CTOD-CMOD曲线以及裂纹扩展阻力曲线存在显著差异,随着强度匹配系数增加,CTOD-CMOD曲线降低,阻力曲线升高。对于SENB以及SENT试样,通过2D平面应变模型和3D实体模型计算得到的裂纹扩展阻力曲线是相似的,说明在对管线钢进行断裂韧性及阻力曲线评估时,可以采用2D平面应变模型代替3D实体模型,进而在保证准确性的同时亦可降低有限元建模和计算的难度,提高运算效率。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG457.11

【参考文献】

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本文编号：2534746