问题概述

◊ 在焊缝中通过辐照探伤经常发现线性缺陷
◊ 焊接规范中基本不允许这些缺陷存在，除非个别案例能够精确地计算剩余寿命
- 规范允许通过有限元法对特定含缺陷结构进行寿命预测
- 然而，现有软件预测裂纹行为的能力是有限的。这些软件不能用于在焊接和焊接结构最敏感的区域中存在缺陷情况
- - 复杂的载荷历程、裂纹扩展规律（与应力比、温度或环境相关）、裂纹形状发展、多种材料、残余应力和热影响区
◊ 尽管有许多不同的抗断裂材料可以使用，但还是经常发现结构在较短服役期后就发生失效，焊缝处也是如此
◊ 通过评估裂纹扩展量和ASTM E647中的实验数据，线弹性断裂力学（LEFM）已经成为疲劳研究主要的方法
◊ 提出一个可用于混合载荷条件下和多材料环境（如跨过焊缝熔合线）下裂纹扩展预测的一般方法，该方法可应用于管道对接焊缝

几何数据

初始裂纹

管道

对接焊缝

◊ 熔合区缺陷
◊ 与管道的轴向成10o的斜角
◊ 椭圆的长、短轴: 3.6mm, 1.8mm
◊ 椭圆中心 w.r.t. 点 A:
◊ 轴向偏移1mm, 径向偏移 1.5mm

载荷条件

◊ 不同的内压组成了循环载荷序列
- 低频高幅值载荷（LFHA）
- - 1个循环每小时
- - R=0 (0-758 bar)
- 高频低幅值载荷（HFLA）
- - 1个循环每分钟
- - R=0.85 (644-758 bar)
◊ 载荷谱理想化处理为:
- 1个低频高幅值循环
- 1组60个高频低幅值循环的 常幅值谱块

材料数据

常规力学特性

断裂力学特性

建模原则

◊ 通过基于有限元方法的线弹性断裂力学理论进行3D建模
- 使用Zencrack进行裂纹植入和裂纹扩展计算
- 联合Abaqus/Standard进行有限元求解
◊ 用于模拟裂纹的标准3D技术包括:
- 带1/4节点的退化的裂纹前缘单元，该单元存在r-½的应力奇异性
- 裂纹前缘围绕着数个单元环，可用于围线积分的评估
- 当裂纹扩展时，网格、边界条件和载荷将适当地更新
- 两阶段分析-椭圆裂纹阶段，穿透裂纹阶段

解决方案:

◊ 使用子程序将材料属性定义成位置的函数
◊ 网格不必要随材料交界面变化
◊ 裂纹能够扩展穿过交界面

裂纹扩展动画

Mises应力分布

裂纹扩展轨迹

结论

◊ 裂纹扩展动画和裂纹轮廓给出了裂纹扩展的总体情况。
◊ 在结果的细节中包含了许多重要的信息。
◊ 下面提供了两个例子:
- K值沿指定裂纹前缘的详细分布
- 每个裂纹轮廓最大K值的位置变化
◊ 为了对结构尤其是焊接结构进行完整性评定，要求今天的断裂分析能够精确的求解在特定工况下的裂纹动态扩展。
◊ 本文提出的方法预测了在混合载荷条件下焊材与母材交界面上（如越过熔合线）裂纹形状的动态演变。
◊ 我们也提出使用裂纹前缘节点的整体Kmax来监测并检测评定结构完整性的关键时刻，例如裂纹合并、裂纹扩展至表面和破前漏。