含Ⅰ-Ⅱ型混合裂纹X80管线钢断裂特性研究

摘要

为获得含Ⅰ-Ⅱ型混合裂纹X80管线钢断裂失效判据，采用含不同角度、不同长度中心裂纹的平板试样测定X80管线钢极限载荷以及断裂位移；同时，采用扩展有限元方法（extended finite element method, XFEM）求解中心裂纹板极限载荷以及裂纹尖端应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ,进而按照能量释放率准则计算等效应力强度因子K_eq;最后，利用实验测试和数值模拟结果对等效应力强度因子K_eq进行了修正，以获得适用于X80管线钢的断裂判据。结果表明：当裂纹长度较小时，裂纹对极限载荷影响不大，X80试样断裂符合韧性断裂特征，随着裂纹长度的不断增加，裂纹对极限载荷影响逐渐增加，当裂纹长度为70 mm时，角度γ=0°的试样极限载荷降低了59.67%,X80管线钢试样断裂符合脆性断裂特征，因此含有Ⅰ-Ⅱ型混合裂纹试样断裂同时兼具韧性和脆性特征，不能直接采用能量释放率准则进行失效判定；计算得到的等效应力强度因子K_eq与X80管线钢断裂韧性K_IC存在一定差距，通过实验和数值模拟数据拟合得到修正系数A以后，所得失效判据能够很好预测含Ⅰ-Ⅱ型混合裂纹X80管线钢断裂极限载荷，误差小于3.5%。研究结果对于提高处于二维应力状态下的含裂纹板壳结构（如内压作用下油气长输管道）完整性评价结果的准确性具有一定意义。

关键词

断裂力学 / X80管线钢 / 应力强度因子 / 断裂特性 / 能量释放率