[发明专利]基于流固磁多场耦合的油气管道焊缝内裂纹扩展的仿真方法

权利要求书

1.一种基于流固磁多场耦合的油气管道焊缝内裂纹扩展的仿真方法，其特征在于，所述方法的实现过程为：

步骤一、利用有限元软件建立管道焊缝内裂纹扩展的流固磁多物理场模型；

步骤二、构建流固磁多场耦合：

多物理场模型中结构和磁场的单元离散过程是相互独立的，建立流固磁多场耦合用于实现后续步骤的管道焊缝内裂纹扩展的耦合计算；建立流固磁多场耦合过程如下：

a、建立流固磁多场耦合有限元方程，如下式：

式中：K为结构刚度矩阵；u为节点位移矢量；F_(u)为节点载荷向量；K_m(u)为磁刚度矩阵；A为节点磁位矢量；ψ为磁流密度矩阵；

式(1)中节点载荷向量F_(u)为

F_(u)＝F_Pi(u)+F_mg(u) (2)

式中：F_Pi(u)为管道内壁及内裂纹处流体压力载荷；F_mg(u)为磁力载荷；

b、提出双向流固耦合形式，动态施加流体压力载荷；

管内流体与管道焊缝结构的双向流固耦合过程为：随着管道内壁内裂纹扩展，流体渗透到内壁内裂纹处，产生渗透压力，式(2)中流体压力载荷F_Pi(u)的施加加速内裂纹扩展进程，引起管道焊缝结构的变形，导致节点位移矢量u的改变；由于u的改变，结构发生变形后，内裂纹也同步进行扩展，流体进一步渗透，影响了流体压力载荷F_Pi(u)的分布，再加速内裂纹的扩展；随着内裂纹扩展，流体压力分布是一个动态变化过程，F_Pi(u)也是随内裂纹扩展动态施加，F_Pi(u)是u的函数；

c、提出单向磁结构耦合形式；

管道焊缝结构对磁场的单向磁结构耦合过程为：在管道焊缝内裂纹扩展中，管内及焊缝内裂纹处流体域、管道焊缝外部及励磁结构周围空气域发生改变，节点位移矢量u的改变影响内裂纹扩展进程中的管道焊缝磁场分布，式(1)中磁刚度矩阵K_m(u)是u的函数；磁场的磁力对管道焊缝结构变形的影响较小，式(2)中F_mg(u)忽略不计；

d、内裂纹扩展、内裂纹失稳断裂均是管道焊缝拓扑结构突变的过程，设置耗能比以提高收敛的稳定性；

步骤三、管道焊缝内裂纹扩展计算；

a、设置载荷步：初始载荷步，最大载荷步，最小载荷步；

b、有限元软件ANSYS求解过程中，打开自动载荷步；在第一个载荷步，施加流体压力P_i＝P_end/初始载荷步；若易收敛：P_i＝P_end/(最小载荷步～初始载荷步)；若不易收敛，P_i＝P_end/(初始载荷步～最大载荷步)；P_end表示管道内壁施加最终载荷子步的流体压力；

c、校验内裂纹扩展长度L_s，施加流体渗透压力P_s；

如果内裂纹扩展长度L_s＝0，内裂纹未扩展，在内裂纹初始长度L_b处，流体渗透压力

P_s＝P_i,(L_s＝0,L∈(0,L_b)) (3)

式中：L为内裂纹处管道内壁沿径向到管道外壁焊缝中心的距离变量；

预扩展路径长度L_p处，流体渗透压力为：

P_s＝0,(L_s＝0,L∈(L_b,L_b+L_p)) (4)

如果L_s＞0，内裂纹开始扩展，在内裂纹L_b+L_s处，流体渗透压力为：

P_s＝P_i,(L_s＞0,L∈(0,L_b+L_s)) (5)

在预扩展路径的未扩展L_p-L_s处，流体渗透压力为：

P_s＝0,(L_s＞0,L∈(L_b+L_s,L_b+L_p)) (6)

式(3)～(6)中，内裂纹扩展过程中流体渗透压力P_s和管内壁流体压力P_i共同构成了式(2)中流体压力载荷F_Pi(u)，忽略磁力载荷F_mg(u)，每载荷子步重新生成式(1)中节点载荷向量F_(u)，完成流体压力载荷的动态施加，进一步影响管道焊缝结构变形u，实现管内流体与管道焊缝结构的双向流固耦合；

d、采用VCCT内裂纹扩展算法和断裂力学中能量释放率准则进行内裂纹扩展计算；在当前载荷子步i，计算裂纹尖端的能量释放率G_i，与所选取的管道材料的临界能量释放率G_IC进行对比，如果G_i≥G_IC，内裂纹扩展；

步骤四、进行管道焊缝内裂纹周围计算域网格重构；

a、在流固耦合作用下，根据管道焊缝和内裂纹扩展过程中管道内壁结构的变形量：内裂纹的张开距离为L_o、扩展长度为L_s，在管内及焊缝内裂纹处的流体域进行网格重构；

b、在流固耦合作用下，根据管道焊缝和内裂纹扩展过程中管道外壁结构的变形量，在管道焊缝外部及励磁结构周围空气域进行网格重构；

c、管内流体域和管外空气域网格重构后，每载荷子步重新生成式(1)中的磁刚度矩阵K_m(u)，表明流固磁多场耦合有限元方程中的K_m(u)与管道焊缝结构变形u有关，实现单向磁结构耦合；

步骤五、进行管道焊缝内裂纹扩展进程中的漏磁场分析

a、指定励磁结构中的磁极方向，形成管道焊缝与励磁结构的磁回路；

b、选取漏磁场载荷子步数为3步～5步；

c、限定漏磁场分析的收敛容差范围为0.001～0.01；

d、设置漏磁场分析中每个载荷子步的最大平衡迭代次数为25～50；

e、采用非线性矢量势法，进行管道焊缝内裂纹扩展进程中的漏磁场分析；

步骤六、判断管道焊缝是否断裂

如果L_s＜L_p，管道焊缝未断裂，重复步骤三至步骤六，载荷子步i＝i+1，反复计算分析，直至L_s≥L_p，管道焊缝断裂，计算结束。