專利名稱：基于應(yīng)力強(qiáng)度因子的管道裂紋等效剛度計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬機(jī)械設(shè)備故障診斷領(lǐng)域，具體涉及一種基于應(yīng)力強(qiáng)度因子的管道裂紋等效剛度計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
管道是包括鐵路、公路、水運(yùn)、航空運(yùn)輸在內(nèi)的五大運(yùn)輸工具之一，在石油化工等生產(chǎn)中占有極其重要的地位。隨著管道事故的不斷出現(xiàn)，對(duì)管道的安全性能的損傷檢測成為目前的熱點(diǎn)課題。目前用于管道系統(tǒng)的無損檢測技術(shù)主要有漏磁檢測技術(shù)、超聲檢測技術(shù)、渦流檢測技術(shù)、聲發(fā)射技術(shù)和振動(dòng)檢測等。振動(dòng)檢測通過對(duì)管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量，獲取振動(dòng)參數(shù)，并且將振動(dòng)參數(shù)的改變作為識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的主要依據(jù)。振動(dòng)檢測使用簡便，只需對(duì)整體結(jié)構(gòu)或局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，不需逐點(diǎn)檢測就可確定管道結(jié)構(gòu)損傷位置及大小。因此，振動(dòng)檢測方法能夠大量快速地對(duì)在役工業(yè)管道進(jìn)行檢測，有著良好的應(yīng)用前景。近年來，基于振動(dòng)的裂紋診斷方法已經(jīng)取得了許多成果，在這些研究中，裂紋引起結(jié)構(gòu)局部剛度變化通常采用扭轉(zhuǎn)線彈簧模型描述，通過計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子從而獲得裂紋等效剛度。但是其中大部分的研究工作集中在對(duì)實(shí)心矩形截面或者圓截面的桿梁結(jié)構(gòu)的損傷識(shí)別上。由于管道結(jié)構(gòu)不僅同實(shí)心結(jié)構(gòu)一樣承受著各種復(fù)雜外界載荷，而且內(nèi)部通常有流 (氣)體作用，這種流固耦合作用導(dǎo)致管道等空心軸類結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展復(fù)雜，應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算困難，因此國內(nèi)外基于振動(dòng)的有關(guān)管道等空心軸類結(jié)構(gòu)的裂紋損傷識(shí)別研究工作相對(duì)較少。為了克服應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算的困難而獲得裂紋等效剛度，印度學(xué)者M(jìn)aiti等人 2008 年在文獻(xiàn)"On prediction of crack in different orientations in pipe using frequency based approach”中，提出了分別基于靜變形和固有頻率測量的兩種實(shí)驗(yàn)方法。 采用實(shí)驗(yàn)方法可以獲得裂紋等效剛度，但是需要花費(fèi)大量繁瑣的實(shí)驗(yàn)工作，而且也不可能對(duì)所有位置的裂紋都進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)方法也不利于揭示裂紋等效剛度變化的規(guī)律。因此，研究裂紋等效剛度的計(jì)算方法具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于應(yīng)力強(qiáng)度因子的管道裂紋等效剛度計(jì)算方法。 該方法通過將管道結(jié)構(gòu)沿徑向離散為一系列依次嵌套的薄壁環(huán)，利用已有的薄壁環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子公式求得管道的應(yīng)力強(qiáng)度因子，然后計(jì)算出裂紋的等效剛度。該方法可以計(jì)算管道中任意位置裂紋的等效剛度，避免了大量繁瑣的實(shí)驗(yàn)工作，結(jié)果可靠，簡單易行，為進(jìn)一步深入研究管道裂紋的診斷問題提供了基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是1)將管道沿徑向離散為一系列壁厚相同、依次嵌套的薄壁環(huán)(薄壁環(huán)的數(shù)目設(shè)為 η)，利用離散的薄壁環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)按照薄壁環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子公式求得各個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而得到整個(gè)管道的應(yīng)力強(qiáng)度因子；
2)增大η的值，所得到的各個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度因子精度若滿足精度誤差要求， 則離散值η滿足劃分要求；若不滿足，則繼續(xù)增大η值，直至得到滿足精度誤差的應(yīng)力強(qiáng)度因子；隨著η的不斷增大，應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算值收斂于精確解；3)利用獲得的η個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，通過計(jì)算管道的應(yīng)變能，進(jìn)而得到裂紋等效剛度；4)將得到滿足精度要求的裂紋等效剛度用于診斷管道振動(dòng)裂紋。裂紋的出現(xiàn)可以引起的結(jié)構(gòu)局部剛度變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)參數(shù)(如固有頻率、振型等)的改變。通過尋找模態(tài)參數(shù)與結(jié)構(gòu)損傷的關(guān)系，可以對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋進(jìn)行診斷， 從而識(shí)別裂紋的位置和大小。所述將管道沿徑向離散為一系列依次嵌套的薄壁環(huán)，從而計(jì)算管道的應(yīng)力強(qiáng)度因子，包括以下步驟管道的內(nèi)、外半徑分別為Ra、Rb，考慮管道上存在一個(gè)橫向裂紋，裂紋深度為h ；將管道沿徑向均勻離散為η個(gè)薄壁環(huán)，通過求解每個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，可以得到整個(gè)管道的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1，進(jìn)而求得裂紋等效剛度。將第i個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度因子記為Ki, Ki可以根據(jù)下式計(jì)算
權(quán)利要求
1.基于應(yīng)力強(qiáng)度因子的管道裂紋等效剛度計(jì)算方法，其特征在于，該方法包括下述步驟 /1)將管道沿徑向離散為一系列壁厚相同、依次嵌套的η個(gè)薄壁環(huán)，利用離散的薄壁環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)，按照薄壁環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子公式求得各個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度因子； /2)增大η的值，所得到的各個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度因子精度若滿足精度誤差要求，則離散值η滿足劃分要求；若不滿足，則繼續(xù)增大η值，直至得到滿足精度誤差的應(yīng)力強(qiáng)度因子；/3)利用獲得的η個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，通過計(jì)算管道的應(yīng)變能，進(jìn)而得到裂紋等效剛度；/4)所得到滿足精度要求的裂紋等效剛度用于診斷管道裂紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)力強(qiáng)度因子的管道裂紋等效剛度計(jì)算方法，其特征在于，所述將管道沿徑向離散為一系列依次嵌套的薄壁環(huán)，從而計(jì)算管道的應(yīng)力強(qiáng)度因子，包括以下步驟設(shè)定管道內(nèi)、外半徑分別為Ra、Rb，管道上橫向裂紋深度為h，整個(gè)管道的應(yīng)力強(qiáng)度因子 K1,得到第i個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度因子Ki為 t—薄壁環(huán)的壁厚； Ri——第i個(gè)薄壁環(huán)的內(nèi)、外半徑平均值； θ——角度坐標(biāo)； M——管道裂紋兩端的彎矩； Ii——第i個(gè)薄壁環(huán)橫截面的慣性矩； I——管道橫截面的慣性矩； Ji——第i個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)變能密度函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于應(yīng)力強(qiáng)度因子的管道裂紋等效剛度計(jì)算方法，其特征在于，所述利用得到的管道的應(yīng)力強(qiáng)度因子，確定管道的應(yīng)變能，進(jìn)而得到裂紋等效剛度，包括以下步驟第i個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)變能如下式所示 式中 i——第i個(gè)薄壁環(huán)裂紋的張開角；
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種基于應(yīng)力強(qiáng)度因子的管道裂紋等效剛度計(jì)算方法，其特征在于，所述將管道沿徑向離散為一系列壁厚相同、依次嵌套的η個(gè)薄壁環(huán)，利用離散的薄壁環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)按照薄壁環(huán)應(yīng)力強(qiáng)度因子公式求得各個(gè)薄壁環(huán)的應(yīng)力強(qiáng)度因子， 當(dāng)η滿足0/>25的條件時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子的求解精度滿足精度誤差，達(dá)到 ^ 1%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于應(yīng)力強(qiáng)度因子的管道裂紋等效剛度計(jì)算方法。該方法通過將管道結(jié)構(gòu)沿徑向離散為一系列依次嵌套的薄壁環(huán)，從而求得管道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力強(qiáng)度因子，然后計(jì)算出裂紋的等效剛度。在基于振動(dòng)的裂紋診斷方法的研究中，裂紋引起的結(jié)構(gòu)局部剛度變化可以采用扭轉(zhuǎn)線彈簧模型描述。因此，所獲得的裂紋等效剛度可用于識(shí)別管道裂紋的位置和大小。該方法可以獲得管道中任意位置裂紋的等效剛度，避免了大量繁瑣的實(shí)驗(yàn)工作，結(jié)果可靠，簡單易行，為進(jìn)一步診斷管道裂紋提供了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102156819SQ20111010549
公開日2011年8月17日 申請(qǐng)日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者何育民, 張小龍, 林云 申請(qǐng)人:西安建筑科技大學(xué)