塑料压力管道破坏机理的损伤力学研究及其数值模拟

发布时间：2020-07-12 00:57

【摘要】： 塑料压力管道长期使用性能的研究和预测对于确定管件的检修时间和防止事故的发生具有非常重要的意义。然而，由于传统的塑料管道寿命分析方法几乎都只考虑了管道在产生宏观裂纹后的裂纹扩展过程而未涉及到管道的微观损伤演变过程，因此其预测结果与管道的实际情况相比具有一定误差。针对于此，本文利用损伤力学理论建立起塑料压力管道在真实应力下的物理模型，不仅同时考虑到了蠕变载荷和疲劳载荷对管道的作用，而且弥补了传统断裂力学理论中忽略了微观裂纹增长及损伤累积过程的缺陷，使得模型更加接近于真实情况，并利用VB语言编制了相应的预测软件，为塑料压力管道长期性能的研究和预测提供了一种新方法。 本文利用高分子材料学、损伤力学、材料力学和计算机图形学等基本理论，建立起高分子材料在蠕变和疲劳载荷长期加载过程中损伤演变的数学模型，并运用数值方法对其进行分析计算，以实现对塑料压力管道长期性能的预测和寿命分析。本方法只需通过快捷的拉伸实验得到材料的各损伤参数并代入基于损伤力学的模型中进行分析模拟，即可对材料的长期使用性能进行模拟并可对其失效寿命进行预测，从而使只通过简洁的实验即可获得材料的长期力学性能成为可能，并使对高分子材料长期性能的认识，从宏观进入微观、从定性进入定量、从静态进入动态，为预测塑料压力管道的服役寿命和检修年限提供了科学依据及分析手段。总结如下： 1．根据损伤力学原理，对高分子材料在疲劳载荷和蠕变载荷加载下的损伤演变过程进行分析，得到各情况下的本构方程，从而分别推导出相应受力状态下的损伤演变方程； 2．对疲劳和蠕变两种加载形式下的损伤过程进行深入分析，建立了相应的物理模型和数学模型，使用Visual Basic语言编写出关于各自力学参数演变的可视化程序； 3．由于高分子材料的一些物性参数具有很高的温度依赖性，因此利用DMA方法分析得到材料在各温度下的力学参数，从而可计算得到其它与温度相关的材料参数。此外，由于进行损伤力学计算还需要得到材料的损伤参数，因此利用万能实验机对试样进行拉伸实验，并通过对其实验数据的整合处理，识别得到材料在常温下的相关损伤参数； 4．对聚丙烯材料进行了基于蠕变损伤模型的数值模拟，对材料的蠕变失效破坏过程进行了模拟分析，对其服役寿命进行了预测，并将模拟结果与DMA实验结果和文献中的实验结果相验证，证明通过此预测方法得到的蠕变数据可靠性较高； 5．对聚丙烯和高密度聚乙烯材料进行了基于疲劳损伤模型的数值模拟，对材料的疲劳失效破坏过程进行了模拟分析和寿命预测，并将模拟结果与实验结果相验证，通过比较证明此预测方法得到的疲劳数据较为准确； 6．针对于塑料压力管在使用过程中所承受的真实应力状态，对疲劳和蠕变两种损伤形式进行耦合分析，建立了相应的物理模型和数学模型，使用Visual Basic语言编写出其力学参数演变的可视化程序。明确直观的模拟了塑料压力管道在实际使用过程中长期力学性能的演变过程，并可根据具体的材料、应力、温度等条件对其服役寿命进行预测； 7．对塑料压力管道的真实受力状态进行建模分析，并对管径为100mm的PE100级燃气管道在真实应力状态下的损伤过程进行了分析模拟，证明了疲劳载荷对管道寿命具有较大影响，并对本领域的未来发展方向进行了预测。
【学位授予单位】：四川大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH49
【图文】：

软件界面友好、面向对象性强、使用简便，可以对塑料制件在长期蠕变载荷下的损伤演变及其相关力学行为进行预测。本课题中所编写的蠕变损伤预测程序界面如图4一1所示:占占。’‘。.叫 ---翔侧 侧二圈洲.申..‘.， ， 111.1.肠l弓 000lll{{{口口:.口.翻洲 0000...///电电艺…， OOO0.‘ ‘ 声 声SSS心抽目， 0000444_一 一...臼门翻 ..0000注 注 衬 .~~~ ttt...二 ..000..口，口助， ---.一 一...翻....妞 OOO0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000皿皿

计算机上实现对聚合物材料寿命和损伤演变过程的分析预测，此软件界面友好、操作简便，可以对塑料制件在长期疲劳载荷下的损伤演变及其相关力学行为进行预测。本课题中所编写的高周疲劳损伤预测程序的界面如图4一3所示。、、‘穴加长艘眼乡档犷护、------一l任鉴尽于.一协一州、「，六五仆鉴弓生一几竺撰饰__’一兮琦叮1又一弋 弋……臀士扮德犷 犷一 一几.-、，仪、:、 、叫 叫万布‘一点 点 ...肠畜 ~~~甘 甘一成面~二 二。 。。}一 一一一一之六伙”.—，不卜二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二二厅厅不不一_， ，钊胭拍伤口.材侧.胡协勿.哪月.叫峨岌.门 门、、皿弓弓目.翻1弓n口已皿叫刃:.毛，‘U、认.…日.‘，......

基于上述模型，使用 VisualBasic语言编写了此蠕变损伤问题的应用程序，此软件可以对聚合物材料在蠕变疲劳载荷下的损伤演变行为进行预测。本蠕变疲劳损伤预测程序的界面如图4一6所示:吕 吕:搜 搜 ....1任 ...二二 二 OOOOOO吕吕t侧..翻.闷口 口亡亡民目..臼叫口 口】】么.)口.卜曰 曰...皿二日口.门口 口...目.日目口 口...皿们川曰口 ....下下Ll口胭侧卜口 口...住七口口.川臼 臼...，月月.出.月 ...功功，口..困.嘴口 口...1目翻.困 困二二匀.口.，门嘴口 口...J盆侧口翻.嘴口 口...‘弓翻口日..川日 日...‘二目国目明阅砚 砚肠肠‘口.曰.，翻 翻...，瓜叮砚臼，.闷口口招招轰捌招招 招幼幼爪.朋日翻.阅口 口...翻‘.目口..州日 日口口…门..川口 口ttt，，翻翻日.口川口口吕吕干书男器、 、图4一6蠕变疲劳损伤程序界面本软件的结构组成和模块功能如图4一7所示。

【引证文献】

相关硕士学位论文 前2条

1 李明阳;埋地PE燃气管道失效机理的力学研究[D];华南理工大学;2010年

2 王金凤;椭圆体缺陷PE燃气管道受温度影响的力学特性研究[D];西南石油大学;2012年

本文编号：2751185