聚乙烯管道热熔接头环向裂纹应力强度因子的数值分析.pdf

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1、第40卷第4期化工机械497聚乙烯管道热熔接头环向裂纹应力强度因子的数值分析‘朱志彬‘枷·2杨晓翔¨陈丽静¨林乃昌岫’2庄鹛辉2(1．福州大学a．化学化工学院；b．机械工程及自动化学院；2．厦门市特种设备检验检测院)摘要应力强度因子足是缺陷结构安全评定的重要参数。基于粘弹性理论，将聚乙烯管材料的粘弹性参数用Prony级数表示，运用非线性有限元法，在ANSYS中建立聚乙烯管热熔接头环向裂纹模型，并对x进行计算和分析。通过有限元的模拟，总结得到聚乙烯管最可能发生断裂的时同为产生裂纹时劐，从而得出分析聚乙烯管环向表面裂纹应力强度因子时不必考虑聚乙烯管的黏弹性，环向表面裂纹缺陷的主要影响

2、因素是裂纹深度与聚乙烯管的厚度之比。关t词聚乙烯管应力强度因子黏弹性数值模拟中圈分类号TQ055．8+1文献标识码A文章编号0254-6094(2013)04-0497-05聚乙烯管道具有良好的耐腐蚀性能、优越的机械力学性能、优良的焊接性能和较长的使用寿命，在城镇燃气输送领域得到广泛应用。热熔焊接是聚乙烯管道的主要连接方式之一，热熔焊接接头力学性能的优劣直接关系到整个燃气管道系统的安危。然而未采用标准焊接参数产生的含工艺缺陷热熔焊接接头在工程应用中十分常见，经常引发安全事故，成为聚乙烯燃气管道系统重大的安全隐患之一⋯。因此，研究聚乙烯管道热熔接头表面裂纹的力学响应及影响因素意义深

3、远。应力强度因子K是判断裂纹脆断行为的重要参数之一，也是R6等断裂评定标准中所必需的参数呤’，对于典型裂纹的足值，已经通过实验方法确定，并编制成手册"】。对于其他裂纹形式，由于实验开展不便，常借助数值方法解决，如NewmanJJ和RajuIS采用有限元法研究内外壁表面裂纹H’51，ChaiGZ等研究者用边界元法№J】分析直管内壁表面裂纹。在这些方法中，由于有限元法简单、精确，已被证实是研究足的有效方法。由于聚乙烯材料具有典型的粘弹性材料特征，目前针对聚乙烯管道热熔接头表面裂纹的研究还很少，而且相关的有限元解也未开展。因此，采用有限元软件ANSYS对聚乙烯管道热熔接头表面裂纹K进行

4、研究，分析了其主要影响因素。1聚乙烯管热熔接头有限元模型建立1．1几何模型的建立根据CJJ63-2008【lo<聚乙烯燃气管道工程技术规程>聚乙烯管热熔焊接接头几何模型的标准尺寸如图1所示，其中焊环的宽度：曰=O．35一o．45S，焊环的高度：日=0．20一o．25S。含表面缺陷热熔接头的缺陷表征如图2所示，可以规则化为包络该裂纹的矩形裂纹形式。规则化后的环向裂纹尺寸由裂纹深度口和裂纹半角￡表征(图3)。了引2图I聚乙烯管热熔接头简图·福建省质量技术监督局科技项目(FJQl2011035)。··朱志彬，男，1979年9月生，在职博士研究生，高级工程师。福建省福州市，责O108。4

5、98化工机械2013年图2聚乙烯管热熔接头的缺陷表征图3含环向表面裂纹PE管热熔接头的截面1．2模型计算参数及有限元模型建立管材为PE80，系列为标准尺寸比SDR为11，公称外径d。=110mm，公称壁厚e=10mm。在Ansys建模时，选取焊环的宽度B=4mm，焊环的高度H=2mm，取聚乙烯管道长150mm。建模时裂纹面选在两管焊接的熔合面上，为方便建模，裂纹面选用L=1800，深度口=2mm的环形裂纹。考虑对称性，取1／4模型进行分析，分析时选用SOLIDl86号体单元对聚乙烯管道进行划分，在划分奇异单元是先采用平面单元PLANEl83划分面，再沿曲线划分体。建立含环向裂纹热

6、熔接头的有限元模型如图4所示。图4熔合面含环向裂纹的有限元模型1．3定义材料属性聚乙烯是一种弹性材料，其应力应变曲线受到温度和时间的影响。PE管在一定温度和恒定载荷下，会产生应变随时间的增长而增加的蠕变现象。笔者采用粘弹性力学模型Prony级数表达式，模拟PE管道的蠕变行为。查阅文献[9]给出了聚乙烯管材的性能参数如下：密度P950kg／m’弹性模量E。530MPa泊松比0．4HDPE管材料Prony级数相对模量为：360s0．30313600s0．171336000s0．0232360000s0．0430根据上述数据可以得出聚乙烯管弹性模量与时间的关系表达式：E=243．482

7、+160．643exp(一丽t)+90．789exp(一丽t)+12．296exp(一磊而t)+22．79exp(一丽t丽)(1)1．4划分网格由于裂纹前缘的应力场存在一个数学上的奇异点，为较好地求得裂纹处的应力强度因子，真实反映裂纹尖端的奇异性，特采用1／4位移法，即在裂纹面边界线上创建奇异单元。图5为裂纹体截面的单元网格，网格由5个半环组成，每个半环则有8个单元，其中第一个半环的中节点被移至1／4点位置，以模拟裂纹尖端应力和应变场的奇异性。1．5施加约束针对熔合面含环向裂纹面