第六章  结  论

输气管道动态裂纹扩展与止裂的研究目前还处于不完善的阶段。工程上现有的止裂韧性判断方法基本都是从有限的全尺寸实验归纳出经验性的判据公式，再通过代入小试件实验测得的断裂韧性做出简单判断。这种方法只能给出简单的临界韧性参数，无法模拟与裂纹扩展的过程密切相关的其他变量。

另一方面，随着管线输送技术的发展，高压力，高韧性钢管逐渐投入使用。此时传统的动态实验手段会产生与断裂无关的显著能量散失。即使最成熟的Battelle双曲线法，其在高韧性条件下的准确程度也受到了广泛质疑。

针对以上问题，本文工作以我国西气东输工程管线建设为背景，进行了较为深入的研究，主要的贡献和创新有以下各点：

1、将断裂动力学中的基本原理、基本方法和基本止裂判据与壳体动力学有限元方法结合起来，利用气体压力模式确定管壁处的气体压力，形成了求解输气管道裂纹扩展的数值分析方法。

对不同设计参数下的稳态裂纹驱动力和材料的断裂韧性的比较，可以得到裂纹是否持续扩展的预测。发现在裂纹稳态扩展的条件下，动态能量释放率G或裂纹尖端张开角CTOA同管道内压p_O或径厚比SDR之间均呈线性关系。据此可以简捷地推算任意设计参数下的裂纹驱动力。所得到的各向应力与位移的数值，对分析管道变形量和强度性能具有重要的参考意义；

2、通过数值分析与实验结果比较，发现对于高韧性钢管，塑性功耗散引起的动能衰减不可忽略。根据瞬态裂纹扩展条件下的整体能量平衡方程，在有限元中构造了求解瞬时速度的迭代算法。其中表征材料韧性的参数G_d（v）在计算中作为已知函数代入，创建了基于韧性减速机理的迭代减速模式，所得结果与实验吻合；

3、发展了双试件DWTT实验测定G_d(v）的方法。利用已有的全尺寸真实裂纹扩展数据，建立了通过夏比冲击功估算G_d的经验模型，将G_d的测定推广到常用的CVN和DWTT方法，并考察了具有上台能的高韧性钢管的CVN和DWTT两种动态韧性随温度的变化以及二者之间的关系，分析了断口分离与能量平台的形成原因，结合具体材料进行了实测；

4、利用有限元程序求解瞬态裂纹扩展的CTOA，结合（CTOA)c的实验测定，形成判断止裂的几何判据，从方法上解决了CVN和DWTT方法在测定高韧性管道时的尺寸效应和无关能量散失；

5、以有限体积法为基础，对非定常可压缩的Navie-Stokes方程进行了离散和求解。本文考虑了空气和甲烷的两相成分，利用PFRAC计算出某时刻管壁的变形状态与节点速度，进行非定常求解，收敛达到的定常状态即裂纹稳态扩展时随体坐标下的气流场分布。沿管道某一轴线，压力与轴向坐标的关系可看作裂纹途经的某点从裂纹前端到后端的减压历史。

对含动态裂纹的高压输气管道的流场模拟结果表明，气体压力模式在裂纹充分发展至不考虑回流区影响的条件下，对高压高韧性管道仍然成立，衰减长度可取1.5至2倍直径。该计算解得的压力分布可直接应用于有限元程序以提高裂纹扩展与止裂的模拟精度。

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