1绪论
压力管道设计采用强度分析方法，其出发点是避免塑性或屈曲破坏，但是设计中很少考虑裂纹因素。管道结构中不可避免地存在各类缺陷，这些缺陷主要源自于材料本身、制造加工及运行过程，而缺陷位置往往存在应力，容易导致低应力脆断，尽管采用加止裂件、注胶及改进制造工艺等手段降低了缺陷失效事故的发生率，但这并不能完全杜绝管道的断裂破坏。综上，缺陷的存在和缺陷位置的应力集中是导致失效的主要原因，而强度分析方法不能反映出缺陷结构的强度特点，因此对含缺陷管道进行断裂力学研究是非常必要的。由于管道中含有的缺陷是无法避免的，因此需要运用断裂力学理论分析缺陷结构，把结构中的缺陷尺寸、外部载荷及材料断裂韧性定量的联系起来，完成缺陷结构的安全性评价和寿命预测，为工程结构的安全设计和选材原则提供了理论基础。严禁使用有危险的裂纹结构，不随意报废无危险的裂纹结构，不仅减少人员伤亡，且可以有效降低经济损失。
1.1断裂力学理论发展及应用
断裂力学理论自1920年发展以来，目前已成为一门独立学科，并在航空、化工、交通、机械等工程领域得到广泛应用。断裂力学要解决的主要问题有三：其一，材料断裂初性的获取；其二，外部载荷作用下裂纹结构是否发生断裂；其三，研究外部载荷作用下裂纹的扩展规律。根据裂纹尖端塑性区尺寸的大小，可以将断裂力学的研究方向分为线弹性和弹塑性两部分。由于断裂力学最初是从线弹性方向发展而来的，因此目前线弹性断裂力学的发展比较成熟。但工程实际中多采用塑性较好的材料，因此完全的脆性断裂很少发生，为了能够更好地研究断裂机理，弹塑性断裂力学迅速发展，并已经取得了部分成果，但由于弹塑性断裂力学研究的前提为裂尖附近大范围屈服，理论研究较线弹性更困难，因此目前弹塑性断裂力学理论仍有待完善。
1.1.1线弹性断裂力学理论发展及应用
(1) 1920年，英国科学家Griffith最先建立了脆性断裂理论的基本框架，首先提出了裂纹扩展释放率的概念，从能量的观点研究裂纹体断裂问题。
(2) 20世纪40年代末期，Irwin和Orowan分别独立地建立了脆性断裂理论，并考虑了裂纹扩展之前裂纹尖端的塑性变形，从而对Griffith理论进行了修正。Irwin在1957年完成了应力强度因子理论的基本框架，并提出弹塑性材料的小范围屈服理论。
2有限元模型建立及验证
2. 1有限元析软件ANSYS简介
有限元法（FEM， Finite Element Method)是计算机问世以后迅速发展起来的一种数值分析方法。其基本概念是用简单问题代替复杂问题后进行求解。它将求解域划分成多个有限元素，通过平衡条件推导此求解域，从而得到问题的解。实践证明，有限元法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，目前己成为有效的工程分析手段。ANSYS就是应计算机数值分析需求而产生的一款大型有限元分析软件。美国匹茨堡大学的John Swanson博士于1970年创建ANSYS公司，该公司致力于开发分析设计软件——ANSYS,历经四十多年的发展，ANSYS已经从最初仅能计算热分析及线性分析的批处理程序，变为了一个集结构、热、流体、电场、磁场、声场等分析于一体的大型通用有限元分析软件，而且可以与多种CAD软件接口从而方便的实现数据传递，目前ANSYS己经被广泛的用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造等各个领域，成为仿真计算中不可或缺的工具。
结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域，包括静力分析、模态分析、谐波分析、瞬态动力分析及显示动力分析等功能。其中静力分析适用于惯性和阻尼对结构影响不显著的情况，主要用来求解外载引起的位移、应力和力。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析。
2.2裂纹单元选择及缺陷模型建立
2.2.1裂纹单元选择
ANSYS提供了多种单元类型，以满足各种工程问题的模拟需要。单元如何选择影响结构分析结果。在求解线弹性断裂力学及塑性非线性问题时，可以选用的单元主要有以下几种：
SOLID45与SOLID 185单元这两种单元共同之处是均为8节点结构分析单元，每个节点都有三个平动自由度。具有塑性、蠕变、大变形和大应变等特性，不同之处是SOLID185单元提高了单元形函数阶数，从而计算精度有所提高，在计算大变形、蠕变等高度非线性问题时有更好的效果，且支持ANSYS11.0版本之后的区域积分法（求解/积分）和交互积分法（求解应本文利用ANSYS静力分析功能进行断裂力学计算，在线弹性或弹塑性条件下，获取工程中常见的含裂纹结构在安全评定时所必需的断裂参数。
3 含环向裂纹光滑弯管有限元分析................................. 43-76
3.1 有限元模型建立................................. 43-46
3.2 含内表面环向裂纹光滑弯管有限元计算................................. 46-62
3.3 含外表面环向裂纹光滑弯管有限元计算................................. 62-66
3.3.1 应力强度因子结果及分析................................. 62-65
3.3.2 极限载荷结果及分析................................. 65-66
3.4 含环向穿透裂纹光滑弯管有限元计算 .................................66-73
3.5 本章小结 .................................73-76
4 含轴向穿透裂纹光滑弯管有限元分析................................. 76-86
4.1 应力强度因子结果及分析................................. 76-79
4.2 极限载荷结果及分析 .................................79-82
4.4 本章小结 .................................85-86
5 含缺陷管道安全评定专家系统................................. 86-97
5.1 理论解模块................................. 86-88
5.1.1 理论解主窗口................................. 86-87
5.1.2 理论解求解窗口................................. 87-88
5.2 模拟解模块................................. 88-93
5.3 安全评定模块................................. 93-96
5.4 本章小结 .................................96-97
结论
(1) 采用有限元法，验证了 ANSYS计算应力强度因子与极限载荷的正确性。
(2) 提出了裂纹实体建模方法。在不失计算精度的前提下，具有构建模型简单、参数化效果好、适用范围广等优点，可以用于构建各种复杂缺陷结构。
(3) 建立了弯管环向内壁、外壁及穿透裂纹有限元模型。计算在内压、弯矩作用下的应力强度因子和极限载荷，并分析裂纹半角e、纵向裂纹角8、环向裂纹角62及对二者的影响，给出受内压时弯管内壁环向裂纹拟合公式、受张开弯矩时弯管内壁环向裂纹拟合公式、受内压时弯管外壁环向裂纹拟合公式及受内压时弯管环向穿透裂纹K、拟合公式。
(4) 建立了弯管轴向穿透裂纹有限元模型。计算在内压、弯矩作用下的应力强度因子和极限载荷，并分析裂纹半角^纵向裂纹角及环向裂紋角&对二者的影响，给出受内压时弯管轴向穿透裂纹极限内压拟合公式。
(5) 改进原有定义多载荷工况下的方法——极限载荷线方法，提出单位球方法。
(6) 编制含缺陷管道安全评定专家系统。以GB/T 19624-2004 "再用含缺陷压力容器安全评定"中的评定方法为主线，辅以理论解模块及模拟解模块，用于获取安全评定所必需的评定参量。其中理论解模块主要以EPRI手册为基础，模拟解模块则通过ANSYS 二次幵发收录常见裂纹结构。