基于三维CT试样的X65钢裂纹扩展规律研究

海底管道是运输石油、天然气等战略资源最为安全和经济的方式,X65钢作为管道钢的主要制造材料,其稳定性和安全性备受关注。针对X65钢的疲劳裂纹扩展问题,建立三维紧凑拉伸(CT)试样的有限元模型,分别用扩展有限元法(XFEM)和专业裂纹扩展仿真软件模拟裂纹准静态和动态扩展过程,通过疲劳试验对模拟结果进行验证。结果表明:基于裂纹动态扩展的数值模拟结果更接近实际情况,通过疲劳试验测得的K值与裂纹动态扩展模拟值相差小于3%,而与XFEM和解析公式值在裂纹扩展后期相差6.8%。针对现行规范解析公式基于平面假设问题,提出一种适用于三维应力状态的标准CT试样裂尖应力强度因子计算改进公式,得到基于Paris公式的裂纹扩展速率线性拟合参数lgC=-8.222 3,m=2.966 4。

基于扩展有限元法的三维裂纹前缘应力强度因子计算方法

为了准确快速获取含缺陷结构材料裂纹前缘的SIF,本文基于扩展有限元法,分别从收敛性、计算精度以及网格尺寸对计算结果的影响角度出发,通过标准CT试样获取三维裂纹前缘SIF,并与传统的围道积分法和公式解析解的计算结果对比分析,得出基于扩展有限元法所获取的三维裂纹前缘SIF变化规律。结果表明:随着网格尺寸的增加,扩展有限元法可以保证足够的收敛性与稳定性;沿厚度方向SIF大小呈逐渐递增再递减对称分布,表明含缺陷结构中的裂纹总是从内部中间开裂;扩展有限元法对网格的依赖程度低,在网格数量与类型选取适当的前提下,使用扩展有限元法得到的SIF计算值与理论值吻合度较高。