输气管道裂纹动态扩展及止裂技术研究进展

对输气管道裂纹动态扩展和止裂技术的研究工作进行了综合论述。讨论了输气管道裂纹动态扩展的止裂判据及输气管道止裂韧性的确定方法。将输气管道裂纹动态扩展中的流体-结构-断裂相互作用问题的力学模型归纳为—维梁模型、圆柱壳模型和有限元模型3种，介绍了有限元模型建立的原理和研究方法。研究结果表明，对于动态延性断裂的止裂，除了预测止裂韧性值，还应该预测裂纹扩展长度，以控制裂纹扩展造成的危害；对于高韧性钢管，应用传统的V型缺口夏比冲击实验(CVN)和落锤撕裂实验(DWTT)方法预测会产生与断裂无关的显著能量散失，因而须改进现有的方法或发展替代性的管道止裂韧性实验方法；确定裂纹尖端张开角是一种有发展前途的方法；改进现有有限元模拟方法的途径之一是采用适应裂纹扩展情况的重新划分网格技术，而不是采用固定网格的方法。     

运动裂纹止裂判据的一种新提法

从断裂动力学问题的非线性性质和能量观点出发讨论了运动裂纹止裂判据的正确提法，指出了目前广泛使用的运动裂纹止裂判据的不适当性，提出了一种新的运动裂纹的止裂判据。研究表明，裂纹失稳扩展时存在一个极小的速度值。     

弹塑性材料动态起裂止裂和裂纹稳态扩展轨迹的试验研究

利用一维试验原理，在冲击拉伸试验装置上实现了周边切口短圆柱试件的动态起裂和动态止裂试验，利用止裂试验中不同的裂纹止裂长度△a和止裂点处的总体柔度，拟合一标定曲线，根据P^-δ曲线上每一点的总体柔度由标定曲线来确定裂纹的稳态扩展轨迹，从而得到裂纹的扩展速度。     

弹塑性材料裂纹扩展的动态J阻力曲线实验

为得到弹塑性材料裂纹扩展的阻力曲线，采用较大外径和较大韧带直径的周边切口在自行研制的间接杆-杆型冲击拉伸试验装置上进行了动态断裂和起裂止裂试验．采用数值分析提出的修正方法得到韧带面上的载荷，结合测得的裂纹嘴张开位移（CMOD），推广Rice远场J积分公式来计算动态J积分；依据柔度变化率法确定起裂点，从而获得动态起裂韧度JID．利用柔度标定法得到裂纹扩展轨迹；提出了周边切口拉伸试件裂纹扩展阻力的动态，JM（t）积分表征的修正形式，从而得到了弹塑性材料裂纹扩展至止裂前的阻力曲线，并对相关问题进行了讨论．试验结果表明：修正的JM（t）可以作为裂纹扩展阻力的表征参量，不仅适用小量稳态扩展过程，裂纹扩展较大时也适用；对弹塑性材料裂纹扩展阻力曲线是惟一的，与裂纹初始长度无关．     

运动裂纹止裂判据的一种新提法

从断裂动力学问题的非线性性质和能量观点出发，讨论了运动裂纹止裂判据的正确提法；指出了目前广泛使用的运动裂纹止裂判据的不适当性；提出了一种新的运动裂纹的止裂判据．研究表明，裂纹失稳扩展时存在一个极小的速度值     

导电体内部裂纹止裂新法的实验研究

介绍了导电体内部裂纹止裂的一种新实验方法。实验结果表明：利用电磁热效应对导体内部裂纹进行止裂不但是可行的,而且具有保持外力作用不变、方法简便、收效迅速、提高韧性等优点。其原理是在向导体通入脉冲电流的瞬间,裂纹尖端处的温度急剧升高,使材料熔化形成焊口同时在周围产生足够大的热压应力,破坏了干线裂纹源的形成,遏制了裂纹的扩展。     

电磁热裂纹止裂中的尺寸效应

研究了在载流的无限大导电薄板中,瞬时形成穿透裂纹的几何尺寸（长度）,板的厚度对裂纹尖端处电磁热止裂纹的影响,通过算例表明：瞬间形成裂纹的几何尺寸是影响裂尖温度场的主要因素之一。     

煤体裂纹水力致裂的扩展机理

基于现有的岩石断裂力学和细观损伤力学，在引用裂纹尖端损伤局部化模型，考虑煤体的远场应力、煤体注水压力及局部损伤带内应力作用的前提下，分析了裂纹尖端应力分布，对水力作用下煤体裂纹尖端损伤局部化、裂纹扩展的基本条件及裂纹扩展的方向进行了理论分析与探讨。     

钢桥面板疲劳裂纹钻孔止裂分析及实验验证

对紧凑拉伸试样进行有限元分析,考察止裂孔边缘的应力分布情况,对比不同状况下裂纹尖端的力学特性,研究了孔径及附加孔对止裂效果的影响.结合钢桥面板局部模型实验,对开裂试件打孔止裂后进行疲劳实验,通过比较不同试件的疲劳寿命,对有限元分析结果进行了验证.分析和实验结果表明,经过止裂孔钻孔处理后,应力集中点位于试样预制裂纹直线延伸方向与止裂孔孔边缘相交处,相对于未打孔,裂纹尖端应力显著下降.裂纹尖端打孔止裂,能够提高构件疲劳寿命,且孔径越大,止裂效果越明显,孔径8mm以后,增大孔径所产生的止裂效果逐渐降低.不同孔径钻孔处理的疲劳试件,各阶段裂纹再次扩展速率相当,属于裂纹中速率扩展区,附加孔并没有影响裂纹扩展速率,但使疲劳寿命显著地提高.     

X100管线钢冲击断裂过程及止裂性分析

对不同终冷温度的X100管线钢进行了动态示波冲击试验,结合断口形貌及微观组织观察,研究了试验温度、终冷温度及组织对冲击断裂过程及止裂性能的影响．结果表明,终冷温度为400℃时,钢的裂纹形成能及扩展能较高,止裂性能良好,仅-60℃时出现少量分层;终冷温度为520℃时,随试验温度降低,裂纹形成能和扩展能逐渐降低,止裂性能逐渐下降,断口中韧窝脆性倾向增强,分层加重．冲击过程中的最大冲击载荷随试验温度的降低而近似线性增加．组织的均匀、板条边界和晶界处的膜状、细小点状M／A岛、细小析出相均有益于钢的冲击韧性及止裂性能．     

混凝土裂缝扩展的CTODc准则

采用最大尺寸为７０ｃｍ×７０ｃｍ×２０ｃｍ的楔入劈拉试件进行了混凝土断裂试验。结果表明，当试件高度达４０ｃｍ以上时，所测得的临界裂缝尖端张开位移（ＣｒｉｔｉｃａｌＣｒａｃｋＴｉｐＯｐｅｎｉｎｇＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）ＣＴＯＤ＿ｃ值与试件尺寸无关。因此，采用ＣＴＯＤ＿ｃ从准则可以很好地应用于大体积混凝土结构的裂缝稳定性分析。     

回火对微合金管线钢疲劳裂纹扩展行为的影响

采用MTS858电液伺服万能试验机、扫描电镜及透射电镜研究回火对一种高强度微合金管线钢疲劳裂纹扩展行为的影响。研究结果表明:回火可提高微合金管线钢疲劳裂纹扩展的门槛值,降低疲劳裂纹扩展速率,但对裂纹扩展稳态区的扩展速率影响不大;回火使碳氮化物沉淀析出、晶间马氏体/奥氏体(M/A)组元由岛状转变为点状及细条状,形成马氏体薄膜结构,阻碍变形和裂纹在材料中扩展,增加裂纹的偏折程度;在控轧控冷终冷温度进行2～4 h回火热处理,可以提高微合金管线钢强韧性和抗疲劳裂纹扩展能力。     

页岩气储层水力裂缝转向扩展机制

从页岩储层岩石断裂力学角度出发,推导三维空间中水力裂缝激活和转向控制方程,将转向扩展的水力裂缝视为不连续正应力条件下的连续延伸。分析控制裂缝转向扩展形态的关键因素和力学特征并进行实例计算。结果表明:从主裂缝扩展长度方向看,水平地应力差越大,裂缝转向后宽度越窄;压裂液排量和黏度越大,裂缝转向后剩余能量越大,裂缝宽度越大;水力裂缝和天然裂缝初始逼近角约为30°时最容易沿天然裂缝发生转向;水力裂缝发生转向后表观形态有较大变化,裂缝向偏离最大主应力方向扩展,造成裂缝宽度变窄;裂缝打开能量的过多耗散造成裂缝总体长度和体积变小;水力裂缝转向能扩展为2~3种裂缝模式的复合。     

预制定向裂纹水力压裂延伸数值模拟

针对目前水力压裂数值模拟对水力压裂裂纹的动态扩展的方向、路径、范围等动态参数研究较少的客观现实以及预制定向裂纹后水力压裂延伸规律的实际工程需要。建立了裂纹失稳扩展判据及其水力压裂裂纹延伸的数学模型并进行了数值模拟,较系统地研究了固井质量完好条件下预制不同方向裂纹在水力压裂过程中的裂纹延伸规律：固井质量不好的条件下,压裂液将会在水泥套简与井壁之间流动,裂纹将在垂直于最小主应力的方向上形成两条裂纹,而不是在预制的方向上起裂。这些问题的研究对完善我国水力压裂技术理论和提高水力压裂技术的应用水平有重要意义。     

天然气管道运输中两阶段动态博弈定价模型

利用两阶段动态博弈理论,对天然气管道运输行业自由竞争、税收调整、存在交叉补贴、政府限价4种情况下的博弈定价进行研究,并讨论不同情况下的价格与各参数之间的关系以及不同的政府行为对价格的影响.结果表明:自由竞争和固定税收对定价尤影响;交叉补贴会导致价格上升,不利于市场发育;政府限价是较为可取的常规管制方法.所得结论可为其他具有部分公益职能的企业产品定价提供理论依据.     

船舶典型构件裂纹扩展模拟及分析

基于有限元软件ABAQUS,结合裂纹扩展判据,应用脚本语言Python自主开发出模拟裂纹自动扩展的程序模块.对含初始裂纹的大型液化天然气船(LNG)的典型纵骨节点进行了裂纹扩展仿真分析,探讨了软趾结构形式、纵骨高度、软趾长度等对裂纹扩展路径及应力强度因子的影响,结果表明在扶强材背后增加软趾、选择合适的纵骨高度以及增加连接软趾的长度对降低裂尖处的应力强度因子幅值,扼制裂纹的失稳扩展非常有利.     

岩体裂隙扩展过程的有限元仿真

利用1/4奇异元和动态网格调整技术,对岩体裂隙动态扩展过程给出了一较理想的自动跟踪方法。研制并调试完成了具有较强功能及实用性的岩体裂隙扩展过程的动态跟踪仿真程序RCPTP。该程序除能够跟踪仿真裂隙扩张过程以外,还考虑了多种工程因素(如开挖、支护等),能适应于复杂工程岩体结构的稳定性分析及变形特征超前预测。通过算例证明了本研究思想的正确性、有效性和实用性。     

低透气煤层水力压裂裂纹的扩展规律

获取低透性煤层的合理水力压裂影响区和压裂孔布置方式,对瓦斯有效抽采、灾害预防尤为重要。采用岩石破裂失稳RFPA2D渗流系统,建立数值模型,分析低透性煤层水力压裂钻孔周边裂纹的扩展规律。结果表明：钻孔左侧水平向起裂并向内部延伸,右侧起裂裂纹与水平向呈45°且向煤体内部延伸,最终主破裂方向转变为30°,煤层破裂形态呈现蝴蝶形;随着步中步的增加,声发射事件逐渐增多,孔隙水压力分布呈现强弱强弱态。随着水压力不断增大,裂纹区、裂隙区、塑性区和弹性区也在不断改变,变化趋势整体形态呈现椭圆形。该研究为低透性煤层水压增透钻孔合理布置提供了参考依据。     

分岔管道内瓦斯爆炸火焰传播规律实验及数值模拟

为了研究煤矿井下瓦斯爆炸火焰在分岔巷道内的传播规律,自制45°分岔管道实验装置开展甲烷体积分数为9.5%的瓦斯爆炸火焰传播实验,用Fluent 16.0软件模拟分岔管道内瓦斯爆炸火焰传播过程。对比分析实验数据与模拟结果,得到分岔管道瓦斯爆炸火焰传播的变化规律。研究结果表明:1)分岔管道内瓦斯爆炸火焰在分岔处产生漩涡,加速管道内爆炸火焰湍流化,火焰冲击反射现象明显;2)分岔支管截面处爆炸火焰温度、传播速度、冲击波超压与离子电流峰值最大;3)瓦斯爆炸火焰传播的模拟结果与实验数据在数值上存在一定差异,但各参量总体变化趋势相同。研究结果为深入认识井下瓦斯爆炸传播机制和在巷道分岔处采取瓦斯爆炸火焰传播抑制措施提供一定参考。