专利名称：基于应力强度因子的管道裂纹等效刚度计算方法
技术领域：
本发明属机械设备故障诊断领域，具体涉及一种基于应力强度因子的管道裂纹等效刚度计算方法。
背景技术：
管道是包括铁路、公路、水运、航空运输在内的五大运输工具之一，在石油化工等生产中占有极其重要的地位。随着管道事故的不断出现，对管道的安全性能的损伤检测成为目前的热点课题。目前用于管道系统的无损检测技术主要有漏磁检测技术、超声检测技术、涡流检测技术、声发射技术和振动检测等。振动检测通过对管道结构进行动态测量，获取振动参数，并且将振动参数的改变作为识别结构损伤的主要依据。振动检测使用简便，只需对整体结构或局部结构进行测试，不需逐点检测就可确定管道结构损伤位置及大小。因此，振动检测方法能够大量快速地对在役工业管道进行检测，有着良好的应用前景。近年来，基于振动的裂纹诊断方法已经取得了许多成果，在这些研究中，裂纹引起结构局部刚度变化通常采用扭转线弹簧模型描述，通过计算应力强度因子从而获得裂纹等效刚度。但是其中大部分的研究工作集中在对实心矩形截面或者圆截面的杆梁结构的损伤识别上。由于管道结构不仅同实心结构一样承受着各种复杂外界载荷，而且内部通常有流 (气)体作用，这种流固耦合作用导致管道等空心轴类结构的裂纹扩展复杂，应力强度因子计算困难，因此国内外基于振动的有关管道等空心轴类结构的裂纹损伤识别研究工作相对较少。为了克服应力强度因子计算的困难而获得裂纹等效刚度，印度学者Maiti等人 2008 年在文献"On prediction of crack in different orientations in pipe using frequency based approach”中，提出了分别基于静变形和固有频率测量的两种实验方法。 采用实验方法可以获得裂纹等效刚度，但是需要花费大量繁琐的实验工作，而且也不可能对所有位置的裂纹都进行实验。同时，实验方法也不利于揭示裂纹等效刚度变化的规律。因此，研究裂纹等效刚度的计算方法具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于应力强度因子的管道裂纹等效刚度计算方法。 该方法通过将管道结构沿径向离散为一系列依次嵌套的薄壁环，利用已有的薄壁环应力强度因子公式求得管道的应力强度因子，然后计算出裂纹的等效刚度。该方法可以计算管道中任意位置裂纹的等效刚度，避免了大量繁琐的实验工作，结果可靠，简单易行，为进一步深入研究管道裂纹的诊断问题提供了基础。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是1)将管道沿径向离散为一系列壁厚相同、依次嵌套的薄壁环(薄壁环的数目设为 η)，利用离散的薄壁环结构参数按照薄壁环应力强度因子公式求得各个薄壁环的应力强度因子，从而得到整个管道的应力强度因子；
2)增大η的值，所得到的各个薄壁环的应力强度因子精度若满足精度误差要求， 则离散值η满足划分要求；若不满足，则继续增大η值，直至得到满足精度误差的应力强度因子；随着η的不断增大，应力强度因子的计算值收敛于精确解；3)利用获得的η个薄壁环的应力强度因子，通过计算管道的应变能，进而得到裂纹等效刚度；4)将得到满足精度要求的裂纹等效刚度用于诊断管道振动裂纹。裂纹的出现可以引起的结构局部刚度变化，从而导致系统振动模态参数(如固有频率、振型等)的改变。通过寻找模态参数与结构损伤的关系，可以对结构裂纹进行诊断， 从而识别裂纹的位置和大小。所述将管道沿径向离散为一系列依次嵌套的薄壁环，从而计算管道的应力强度因子，包括以下步骤管道的内、外半径分别为Ra、Rb，考虑管道上存在一个横向裂纹，裂纹深度为h ；将管道沿径向均勻离散为η个薄壁环，通过求解每个薄壁环的应力强度因子，可以得到整个管道的应力强度因子K1，进而求得裂纹等效刚度。将第i个薄壁环的应力强度因子记为Ki, Ki可以根据下式计算
权利要求
1.基于应力强度因子的管道裂纹等效刚度计算方法，其特征在于，该方法包括下述步骤 /1)将管道沿径向离散为一系列壁厚相同、依次嵌套的η个薄壁环，利用离散的薄壁环结构参数，按照薄壁环应力强度因子公式求得各个薄壁环的应力强度因子； /2)增大η的值，所得到的各个薄壁环的应力强度因子精度若满足精度误差要求，则离散值η满足划分要求；若不满足，则继续增大η值，直至得到满足精度误差的应力强度因子；/3)利用获得的η个薄壁环的应力强度因子，通过计算管道的应变能，进而得到裂纹等效刚度；/4)所得到满足精度要求的裂纹等效刚度用于诊断管道裂纹。
2.根据权利要求1所述的一种基于应力强度因子的管道裂纹等效刚度计算方法，其特征在于，所述将管道沿径向离散为一系列依次嵌套的薄壁环，从而计算管道的应力强度因子，包括以下步骤设定管道内、外半径分别为Ra、Rb，管道上横向裂纹深度为h，整个管道的应力强度因子 K1,得到第i个薄壁环的应力强度因子Ki为 t—薄壁环的壁厚； Ri——第i个薄壁环的内、外半径平均值； θ——角度坐标； M——管道裂纹两端的弯矩； Ii——第i个薄壁环横截面的惯性矩； I——管道横截面的惯性矩； Ji——第i个薄壁环的应变能密度函数。
3.根据权利要求1所述的一种基于应力强度因子的管道裂纹等效刚度计算方法，其特征在于，所述利用得到的管道的应力强度因子，确定管道的应变能，进而得到裂纹等效刚度，包括以下步骤第i个薄壁环的应变能如下式所示 式中 i——第i个薄壁环裂纹的张开角；
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于应力强度因子的管道裂纹等效刚度计算方法，其特征在于，所述将管道沿径向离散为一系列壁厚相同、依次嵌套的η个薄壁环，利用离散的薄壁环结构参数按照薄壁环应力强度因子公式求得各个薄壁环的应力强度因子， 当η满足0/>25的条件时，应力强度因子的求解精度满足精度误差，达到 ^ 1%。
全文摘要
本发明公开了一种基于应力强度因子的管道裂纹等效刚度计算方法。该方法通过将管道结构沿径向离散为一系列依次嵌套的薄壁环，从而求得管道结构的应力强度因子，然后计算出裂纹的等效刚度。在基于振动的裂纹诊断方法的研究中，裂纹引起的结构局部刚度变化可以采用扭转线弹簧模型描述。因此，所获得的裂纹等效刚度可用于识别管道裂纹的位置和大小。该方法可以获得管道中任意位置裂纹的等效刚度，避免了大量繁琐的实验工作，结果可靠，简单易行，为进一步诊断管道裂纹提供了基础。
文档编号G06F19/00GK102156819SQ20111010549
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月26日 优先权日2011年4月26日
发明者何育民, 张小龙, 林云 申请人:西安建筑科技大学