簡易檢索 / 詳目顯示

研究生: 李兆峯
Lee, Jhao-Feng
論文名稱: 鋼管銲接接頭應力強度因子之研究
Numerical Analyses for the Stress Intensity Factors of Some Welded Steel Pipe Joints
指導教授: 鍾興陽
Chung, Xing-Ynag
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 147
中文關鍵詞: 鋼管銲接接頭應力強度因子裂縫張開位移最小二乘法迴歸分析軸對稱有限元素模型
外文關鍵詞: Welded Steel Pipe Joint, Stress Intensity Factor, Crack Opening Displacement, Least-Squares Method, Regression Analysis, Axisymmetric Finite Element Model
相關次數: 點閱:118下載:2
分享至:
查詢本校圖書館目錄 查詢臺灣博碩士論文知識加值系統 勘誤回報
  • 本研究在未考慮鋼管壁與鋼管壁之間接觸問題的基本假設下,使用兩種數值方法求取三種常見鋼管銲接接頭(即:對接接頭、搭接接頭以及套管接頭)之裂縫尖端之應力強度因子KI以及KII,並透過大量數值分析之結果求取各種接頭應力強度因子的迴歸公式。第一種方法主要利用有限元素程式模擬直接求取應力強度因子,第二種方法則是利用有限元素程式模擬取得裂縫張開位移再配合最小二乘法來計算應力強度因子,本研究比較兩種方法所求得之應力強度因子,並討論確認最小二乘法求取鋼管銲接接頭應力強度因子之適用性,此外,本研究亦將透過有系統的數值分析結果,探討三種常見鋼管銲接接頭在各種幾何形狀參數變化下應力強度因子的變化情形,所求得三種常見鋼管銲接接頭的應力強度因子的迴歸公式,透過與有限元素數值結果的比較,證明其有良好的準確性。最小二乘法用於計算鋼管銲接接頭應力強度因子亦有良好之適用性。

    Under the basic assumption of not considering the contact problem between pipe walls, this study utilized two numerical methods to compute the stress intensity factors (SIFs) KI and KII of the crack tips of three common welded steel pipe joints (i.e., butt joint, lap joint and sleeve joint), and developed the stress intensity factor (SIF) regression formulae of the three joints through large amounts of numerical analysis results. The first method employed finite-element program to obtain SIFs directly. The second method utilized finite-element program to simulate crack opening displacements (CODs) and then computed SIFs using the Least-Squares Method. The SIF results of the two methods were compared in this study to verify the feasibility of using the Least-Squares Method to acquire the SIFs of welded steel pipe joints. Furthermore, this study investigated the SIF variations corresponding to the variations of various geometric parameters. The precision of the derived SIF regression formulae for the three welded steel pipe joints is verified by the comparisons with the finite-element results. The Least-Squares Method also has good applicability for computing the SIFs of welded steel pipe joints.

    目錄 摘要 I Abstract III 誌謝 V 目錄 VII 表目錄 XI 圖目錄 XIV 符號表 XIX 第一章 緒論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 研究目的 1 1.3 研究方法與範圍 2 1.4 論文架構 4 第二章 文獻回顧 9 2.1 前言 9 2.2 有限元素模擬相關文獻 9 2.3 最小二乘法相關文獻 10 第三章 數值模擬分析相關理論 13 3.1 前言 13 3.2 有限元素分析軟體相關理論 13 3.2.1 奇異元素 13 3.2.2 三角形元素 16 3.2.3 應力強度因子K 17 3.3 最小二乘法相關理論 20 第四章 數值模擬分析相關設定 31 4.1 前言 31 4.2 模擬試體幾何參數與組數規劃 31 4.2.1 幾何參數 32 4.2.2 組數規劃 33 4.3 參數設定與分析假設 37 4.4 模型尺寸建立與分析方法 38 4.4.1 基本模型尺寸之建立 38 4.4.2 分析方法設定 39 4.5 邊界條件與應力施加設定 39 4.6 元素與網格設定 40 4.6.1 元素設定 40 4.6.2 網格設定 41 4.7 分析後處理程序 42 第五章 數值模擬分析結果與討論 61 5.1 前言 61 5.2 最小二乘法(LSM)分析結果 61 5.3 數值模擬分析結果 62 5.3.1 「對接接頭」分析結果 63 5.3.2 「搭接接頭」分析結果 64 5.3.3 「套管接頭」分析結果 66 5.4 應力強度放大係數之分析 68 5.4.1 「對接接頭」應力強度放大係數之分析 68 5.4.2 「搭接接頭」應力強度放大係數之分析 70 5.4.3 「套管接頭」應力強度放大係數之分析 71 5.5 迴歸分析 72 5.5.1 「對接接頭」之迴歸公式 73 5.5.2 「搭接接頭」之迴歸公式 75 5.5.3 「套管接頭」之迴歸公式 77 5.5.4 迴歸結果與誤差 80 第六章 結論與建議 139 參考文獻 143 自述 147 表目錄 表4-1 三種鋼管接頭方式長度參數L測試表 43 表4-2 「對接接頭」BD組之模型尺寸規劃 44 表4-3 「對接接頭」Bt組之模型尺寸規劃 45 表4-4 「搭接接頭」LD組之模型尺寸規劃 46 表4-5 「搭接接頭」LH組之模型尺寸規劃 47 表4-6 「套管接頭」SD組之模型尺寸規劃 48 表4-7 「套管接頭」SH組之模型尺寸規劃 49 表4-8 網格收斂比較表格 50 表5-1 BD組「對接接頭」試體-FEM與LSM KI之比較(施壓力100MPa) 82 表5-2 Bt組「對接接頭」試體-FEM與LSM KI之比較(施壓力100MPa) 83 表5-3 BD組「對接接頭」試體-FEM與LSM KII之比較(施壓力100MPa) 84 表5-4 Bt組「對接接頭」試體-FEM與LSM KII之比較(施壓力100MPa) 85 表5-5 LD組「搭接接頭」試體-FEM與LSM KI之比較(施壓力100MPa) 86 表5-6 LH組「搭接接頭」試體-FEM與LSM KI之比較(施壓力100MPa) 87 表5-7 LD組「搭接接頭」試體-FEM與LSM KII之比較(施壓力100MPa) 88 表5-8 LH組「搭接接頭」試體-FEM與LSM KII之比較(施壓力100MPa) 89 表5-9 SD組「套管接頭」試體-FEM與LSM KI之比較(施壓力100MPa) 90 表5-10 SH組「套管接頭」試體-FEM與LSM KI之比較(施壓力100MPa) 91 表5-11 SD組「套管接頭」試體-FEM與LSM KII之比較(施壓力100MPa) 92 表5-12 SD組「套管接頭」試體-FEM與LSM KII之比較(施壓力100MPa) 93 表5-13 BD組「對接接頭」試體-FEM與迴歸公式MkI之比較 94 表5-14 Bt組「對接接頭」試體-FEM與迴歸公式MkI誤差比較 95 表5-15 BD組「對接接頭」試體-FEM與迴歸公式MkII之比較 96 表5-16 Bt組「對接接頭」試體-FEM與迴歸公式MkII誤差比較 97 表5-17 LD組「搭接接頭」-FEM與迴歸公式MkI誤差比較 98 表5-18 LH組「搭接接頭」-FEM與迴歸公式MkI誤差比較 99 表5-19 LD組「搭接接頭」-FEM與迴歸公式MkII誤差比較 100 表5-20 LH組「搭接接頭」-FEM與迴歸公式MkII誤差比較 101 表5-21 SD組「套管接頭」-FEM與迴歸公式MkI誤差比較 102 表5-22 SH組「套管接頭」-FEM與迴歸公式MkI誤差比較 103 表5-23 SD組「套管接頭」-FEM與迴歸公式MkII誤差比較 104 表5-24 SH組「套管接頭」-FEM與迴歸公式MkII誤差比較 105 圖目錄 圖1-1 對接接頭之固有裂縫示意圖 6 圖1-2 搭接接頭之固有裂縫示意圖 7 圖1-3 套管接頭之固有裂縫示意圖 8 圖3-1 八節點四邊形元素將中間節點移至1/4節點示意圖 26 圖3-2 1/4節點三角型元素示意圖 27 圖3-3 破壞力學之三種破壞模式示意圖 28 圖3-4 積分路徑示意圖 29 圖4-1 數值模擬分析流程 51 圖4-2 「對接接頭」試體尺寸符號示意圖 52 圖4-3 「搭接接頭」試體尺寸符號示意圖 53 圖4-4 「套管接頭」試體尺寸符號示意圖 54 圖4-5 裂縫尖端處之圓形分割區塊示意圖 55 圖4-6 裂縫增長方向(q Vectors)示意圖 56 圖4-7 軸對稱模型邊界條件示意圖 58 圖4-8 元素示意圖 59 圖4-9 裂縫尖端附近之網格切割示意圖 60 圖5-1 BD組「對接接頭」之KI變化(施壓力100MPa) 106 圖5-2 BD組「對接接頭」之KII變化(施壓力100MPa) 106 圖5-3 Bt組「對接接頭」之KI變化(施壓力100MPa) 107 圖5-4 Bt組「對接接頭」之KII變化(施壓力100MPa) 107 圖5-5 試體編號Bt-B #0.6變形圖(t/T=0.4、2a/T=0.6) 108 圖5-6 試體編號Bt-B #3.0變形圖(t/T=0.4、2a/T=3.0) 108 圖5-7 試體編號Bt-E #0.6變形圖(t/T=0.7、2a/T=0.6) 109 圖5-8 試體編號Bt-E #3.0變形圖(t/T=0.7、2a/T=3.0) 109 圖5-9 LD組「搭接接頭」之KI變化(施壓力100MPa) 110 圖5-10 LD組「搭接接頭」之KII變化(施壓力100MPa) 110 圖5-11 LH組「搭接接頭」之KI變化(施壓力100MPa) 111 圖5-12 LH組「搭接接頭」之KII變化(施壓力100MPa) 111 圖5-13 試體編號LD-D #3.0變形圖(D/T=22、2a/T=3.0) 112 圖5-14 試體編號LD-D #4.8變形圖(D/T=22、2a/T=4.8) 112 圖5-15 試體編號LD-D #7.2變形圖(D/T=22、2a/T=7.2) 113 圖5-16 試體編號LD-F #3.0變形圖(D/T=30、2a/T=3.0) 114 圖5-17 試體編號LD-F #4.8變形圖(D/T=30、2a/T=4.8) 114 圖5-18 試體編號LD-F #7.2變形圖(D/T=30、2a/T=7.2) 115 圖5-19 SD組「套管接頭」之KI變化(施壓力100MPa) 116 圖5-20 SD組「套管接頭」之KII變化(施壓力100MPa) 116 圖5-21 SH組「套管接頭」之KI變化(施壓力100MPa) 117 圖5-22 SH組「套管接頭」之KII變化(施壓力100MPa) 117 圖5-23 試體編號SD-D #2.4變形圖(D/T=22、2a/T=2.4) 118 圖5-24 試體編號SD-D #4.8變形圖(D/T=22、2a/T=4.8) 118 圖5-25 試體編號SD-F #2.4變形圖(D/T=30、2a/T=2.4) 119 圖5-26 試體編號SD-F #4.8變形圖(D/T=30、2a/T=4.8) 119 圖5-27 相同D/T=30、2a/T=4.8之搭接接頭與套管接頭變形比較 120 圖5-28 BD組「對接接頭」之MKI變化 121 圖5-29 Bt組「對接接頭」之MKI變化 121 圖5-30 BD組「對接接頭」之MKII變化 122 圖5-31 Bt組「對接接頭」之MKII變化 122 圖5-32 LD組「搭接接頭」之MKI變化 123 圖5-33 LH組「搭接接頭」之MKI變化 123 圖5-34 LD組「搭接接頭」之MKII變化 124 圖5-35 LH組「搭接接頭」之MKII變化 124 圖5-36 SD組「套管接頭」之MKI變化 125 圖5-37 SH組「套管接頭」之MkI變化 125 圖5-38 SD組「套管接頭」之MKII變化 126 圖5-39 SH組「套管接頭」之MkII變化 126 圖5-40 BD組「對接接頭」之MkI迴歸曲線與公式 127 圖5-41 Bt組「對接接頭」之MkI迴歸曲線與公式 127 圖5-42 BD組「對接接頭」之MkII迴歸曲線與公式 128 圖5-43 Bt組「對接接頭」之MkII迴歸曲線與公式 128 圖5-44 LD組「搭接接頭」之MkI迴歸曲線與公式 129 圖5-45 LH組「搭接接頭」之MkI迴歸曲線與公式 129 圖5-46 LD組「搭接接頭」之MkII迴歸曲線與公式 130 圖5-47 LH組「搭接接頭」之MkII迴歸曲線與公式 130 圖5-48 SD組「套管接頭」之MkI迴歸曲線與公式 131 圖5-49 SH組「套管接頭」之MkI迴歸曲線與公式 131 圖5-50 SD組「套管接頭」之MkII迴歸曲線與公式 132 圖5-51 SH組「套管接頭」之MkII迴歸曲線與公式 132 圖5-52 BD組「對接接頭」之迴歸公式與數值模擬MkI比較 133 圖5-53 Bt組「對接接頭」之迴歸公式與數值模擬MkI比較 133 圖5-54 BD組「對接接頭」之迴歸公式與數值模擬MkII比較 134 圖5-55 Bt組「對接接頭」之迴歸公式與數值模擬MkII比較 134 圖5-56 LD組「搭接接頭」之迴歸公式與數值模擬MkI比較 135 圖5-57 LH組「搭接接頭」之迴歸公式與數值模擬MkI比較 135 圖5-58 LD組「搭接接頭」之迴歸公式與數值模擬MkII比較 136 圖5-59 LH組「搭接接頭」之迴歸公式與數值模擬MkII比較 136 圖5-60 SD組「套管接頭」之迴歸公式與數值模擬MkI比較 137 圖5-61 SH組「套管接頭」之迴歸公式與數值模擬MkI比較 137 圖5-62 SD組「套管接頭」之迴歸公式與數值模擬MkII比較 138 圖5-63 SH組「套管接頭」之迴歸公式與數值模擬MkII比較 138

    ABAQUS HTML Documentation, “User's Manual,” Dassault Systèmes Simulia Corp., Providence, RI, USA.

    AWS D1.1/D1.1M:2004, “Structural Welding Code—Steel,” American National Standards Institute, (2003)

    Ayatollahi M.R. and Khoramishad H., “Stress Intensity Factors for an Axially Oriented Internal Crack Embedded in a Buried pipe,” International Journal of Pressure Vessels and Piping; Vol. 87, Issue 4, pp. 165-169, (2010)

    Barsoum R.S., “On the Use of Isoparametric Finite Elements in Linear Fracture Mechanics,” International Journal for Numerical Methods in Engineering; Vol. 10, Issue 1, pp. 25-37, (1976)

    Chung H.Y., Liu S.H., Lin R.S. and Ju S.H., “Assessment of Stress Intensity Factors for Load-Carrying Fillet Welded Cruciform Joints Using a Digital Camera,” International Journal of Fatigue; Vol. 30, Issue 10-11, pp. 1861-1872, (2008)

    Gunay D., Aydemir A. and Ozer H., “Torsional Stresses in the Transverse Fillet Weld Tubular Joints,” Mathematical & Computational Applications, Vol. 1, No. 1, pp. 29-35, (1996)

    Henshell R.D. and Shaw K.G., “Crack Tip Finite Elements are Unnecessary,” International Journal for Numerical Methods in Engineering; Vol. 9, Issue 3, pp. 495-507, (1975)

    Irwin G.R., “Analysis of Stresses and Strains Near The End of A Crack Traveling A Plate,” Transaction of ASME, Journal of Applied Mechanics; Vol. 24, No. 3, pp. 361-364, (1957)

    Jang G.B., Kim H.K. and Kang S.S., “The Effects of Root Opening on Mechanical Properties, Deformation and Residual Stress of Weldment,” Welding Research Supplement; 80s-88s, (2001)

    Ju S.H., “Simulating Stress Intensity Factors for Anisotropic Materials by the Least Squares Method,” International Journal of Fracture; Vol. 81, No. 3, pp. 283-297, (1996)

    Ju S.H., “Simulating Three-Dimensional Stress Intensity Factors by the Least-Squares Method,” International Journal for Numerical Method in Engineering; Vol. 43, Issue 8, pp. 1437-1451, (1998)

    Rice J.R., “A Path Independent Integral and the Approximate Analysis of Strain Concentration by Notches and Cracks,” Journal of Applied Mechanics; Vol. 35, No. 2, pp. 379-386, (1968)

    Shih C.F. and Asaro R.J., “Elastic-Plastic Analysis of Cracks on Bimaterial Interfaces: Part I—Small Scale Yielding,” Journal of Applied Mechanics; Vol. 55, Issue 2, pp. 299-316, (1988)

    Shih C.F., Moran B. and Nakamura T., “Energy Release Rate along a Three-Dimensional Crack Front in a Thermally Stressed Body,” International Journal of Fracture; Vol. 30, No. 2, pp. 79-102, (1986)

    Wallbrink C.D., Peng D. and Jones R., “Assessment of Partly Circumferential Cracks in Pipes,” International Journal of Fracture, Vol. 133, Issue 2, pp. 167–181, (2005)

    內政部營建署,「鋼結構容許應力設計法規範及解說」,民國九十六年六月

    行政院勞工委員會勞工安全衛生研究,「鋼管施工架國家標準妥適性研究」,民國九十八年三月

    呂其和,「楔形體填充物之有限元素分析」,國立成功大學土木工程系,碩士學位論文(2004)

    林坤震,「不同寬厚度對接鋼板接頭應力強度因子之研究」,國立成功大學土木工程系,碩士學位論文(2008)

    林奕佐,「鋼構填角銲搭接接頭應力強度因子之研究」,國立成功大學土木工程系,碩士學位論文(2007)

    林容暄,「承拉型填角銲十字接頭應力強度因子之量測與數值分析」,國立成功大學土木工程系,碩士學位論文(2007)

    陳奎澧,「SA533B1壓力槽鋼材之疲勞裂縫閉合與裂縫成長研究」,國立中央大學機械工程系,碩士學位論文(2001)

    黃千豪,「三維圓管裂縫有限元素模型之自動建立與應用研究」,國立中興大學應用數學系,碩士學位論文(2006)

    張鵬祥,「對接圓管環縫銲接殘留應力之研究」,中正理工學院兵器系統工程研究所,碩士學位論文(1997)

    詹台安,「預裂負荷對破壞韌性影響之數值模擬」,國立中央大學機械工程系,碩士學位論文(2004)

    盧彥祥,「銲接型鋼筋續接器應力強度因子之數值分析」,國立成功大學土木工程系,碩士學位論文(2010)

    下載圖示 校內:2016-08-31公開
    校外:2021-08-31公開
    QR CODE