BRUDDMEKANIKK I UTVIKLING NYE TRENDER. *numerisk *constraint *miljø *probabilistisk *direkte beregninger

Transkript

1 BRUDDMEKANIKK I UTVIKLING NYE TRENDER *numerisk *constraint *miljø *probabilistisk *direkte beregninger

2 0.5 K IC= σ ( π a) F Fracture Toughness Loading Crack size Geometry Material properties Welding procedure Service conditions Fabrication Inspection Construction Loading conditions

3 BRUDDMEKANIKK I UTVIKLING NYE TRENDER Fra prøving&feiling til direkte beregninger Line spring location

4 Modell-utstilling i Milano Leonardo da Vinci Prøving av styrken på jernstenger

5 Ved å prøve og feile utviklet materialene og konstruksjonene seg videre. Dette kunne være en ganske brutal framgangsmåte. F.eks. var støpejernskanoner usikre konstruksjoner. Det var kjent at mannskapet på tidens krigsskip fryktet egne kanoner like meget som fiendens

6 The 1943-built 10,572-dwt, 7,176-grt Liberty type general cargo ship Captain Lemos Liberty og Victory Under den annen verdenskrig ble det i raskt tempo bygget 3400 såkalte Liberty og Victory skip. På disse ble det registrert 250 tilfeller av brudd av så alvorlig karakter at skipene enten gikk tapt eller kom i alvorlig fare, og 1200 skip hadde sprekker som ble oppfattet som en potensiell fare for forlis.

7 OLJEDIREKTORATET: Frykter storkatastrofe på norsk sokkel Av: Bård Ove Molberg 25. apr :49 Oljedirektør Gunnar Berge er bekymret over det store antallet gasslekkasjer og andre farlige hendelser på norske plattformer. - Risikoen for storulykker er økende, fastslår han. Risikoen for en storkatastrofe på norske sokkel har økt den siste tida. Det er hovedkonklusjonen i en fersk sikkerhetsrapport fra Oljedirektoratet (OD), som ble offentliggjort fredag. Rapporten er en del av ODs såkalte risikonivåprosjekt. Frykter katastrofe Oljedirektør Gunnar Berge er særlig bekymret over det økende antallet gasslekkasjer, brønnspark og konstruksjonssvikt. Denne rapporten bekrefter en tendens vi har observert, nemlig at risikoen for storulykker er økende. Det er bekymringsfullt, sier han. De siste seks årene har Oljedirektoratet registrert hele totalt 228 betydelige olje- og gasslekkasjer fra faste- og flyttbare innretninger på norsk sokkel. Ingen av lekkasjene er blitt antent, men direktoratet er likevel bekymret fordi potensialet for en alvorlig ulykke ved antenning er så stort. Direktoratet vil nå kalle inn ledelsen i de viktigste oljeselskapene på norsk sokkel og be dem sette opp forpliktende reduksjonsmål og en plan for å nå disse målene.

8 Direkte beregninger: Skall-modell +linespring =LINK PIPE

9 NYE TRENDER... Fra elastisk til elastisk-plastisk og duktil sprekkvekst

10 UTVIKLING AV PLASTISKE SONER VED SPREKKSPISSENE

11 NYE TRENDER... Fra en-parameter til fler-parameter bruddmekanikk PIPE SENT 0.5 K=σ( πa) F IC FRACTURE TOUGHNESS [J, K, CTOD] SENB (a/w = 0.3) SENB (a/w = 0.5) CT (a/w = 0.5) GEOMETRY / CONSTRAINT [T,Q,M]

12 Single parameter fracture mechanics (K, J, CTOD) High constraint Low constraint DENT Linear Elastic Constraint Solutions

13 Single parameter fracture mechanics breaks down in the precence of excessive plasticity DENT Fracture toughness will depend on size, geometry and mode of loading

14 BRUDDMEKANIKK I UTVIKLING NYE TRENDER 1.Numerisk bruddmekanikk: gjenskape virkeligheten med en FE modell 2.Constraint-korrigert bruddmekanikk: effekt av geometri 3.Miljø assistert bruddmekanikk: effekt av prøvebetingelser og miljø 4.Probabilistisk bruddmekanikk: sannsynligheten for å få brudd 5.Direkte beregninger: bruddmekaniske FE beregninger utført direkte på den aktuelle konstruksjonen/komponenten

15 1.Numerisk bruddmekanikk: Gjenskape virkeligheten med en FE modell

16 25 August Oppdatert manual for ABAQUS øvingene er nå lagt ut på hjemmesiden under "Documentation to the computer exercises" 18 august 2003 Studentene som følger faget Bruddmekanikk tilbys gratis deltagelse på 3 dagers kurset NÅR FÅR VI BRUDD. Ta kontakt med Vigdis Olden, SINTEF Materialteknologi, vigdis.olden@sintef.no eller christian thaulow Se link til nettsted nederst på denne siden VT.AUD). Dette blir en introduksjon til faget. Christian Thaulow vil gå gjennom høstens forelesninger og presentere læreboka, mens Zhiliang Zhang vil presentere øvingsopplegget med FEM beregninger på ABAQUS.

17 Finite element analysis on ABAQUS is integrated in the subject "Fracture mechanics" 3 hours every week. The FE is integrated with the lessons and solving of problems. The aims are: 1.to learn step by step how to use ABAQUS 2.to be able to calculate realistic fracture mechanics cases The first 6 weeks will introduce all steps in the calculations, from creating the model and defining the input file to postprocessing the results. The simplyfied model from the initial stages will then be refined to include a sharp crack, and applied to solve realistic fracture mechanics cases. The result of the calculations will be compared with solutions presented in the text book.

18 Biaxial testing of cruciform specimen with crack (Bass et al. 1999) Stress distribution due to thermal loading Test specimen Global stress distribution in test specimen

19 Measured effect of biaxial loading on fracture toughness (Bass et al. 1999)

20 Principal stress: Weak effect of biaxaial loading on the principal stress level Hydrostatic stress: More significant effect of biaxial loading on hydrostatic stress level

21 Assessment of brittle fracture in girth weld joint of pipelines subjected to internal pressure and bending load Hiroshi Shimanuki * and Takehiro Inoue * * Nippon Steel Corporation, Steel Research Laboratories

22 Background Natural gas pipeline from Sakhalin to Japan is in the planning stage. There is no design standard for such international gas pipeline in Japan. Safety against fracture is indispensable. (Large earthquakes sometimes happen near Japan) Cost is important factor. (High grade pipe and high design pressure are desired)

23 Problem in fracture assessment Brittle fracture under plastic deformation Loss of plastic constrain Strength mismatching of weld The equivalent CTOD concept

24 FE Models (Pipe models) Surface crack Semi-elliptical surface crack φ t p Matched (Under-matched) Surface crack Semi-elliptical surface crack Welded joint Over match weld metal t 25, 13.8, 9.2, 6 3 Surface crack shape Surface crack Weld metal Pipe wall Matched 660φ 6 or 8.4 p Over-matched External form Unit in mm Wall thickness = 8.5, 14.3, 15.9 Over-matched Under-matched Crack position

25 Fracture assessment method Equivalent CTOD concept by Prof. Minami Osaka Structural component δ struc Crack Fracture toughness specimen Weibull stress, σw ε δ struc Same σ W Weibull stress, σw 3-point bend W a δ δ 3P,Equi a/w=0.5 CTOD of structural component, δ struc Strain Equivalent CTOD 3-point bend CTOD, δ 3P Loss of constraint in structural component Fracture toughness δc > δ 3p,Equi δ c δ 3p,Equi safe δ struc > δ 3P,Equiv unsafe

26 Influence of crack length Defect length control is effective to prevent brittle fracture. Equivalent CTOD, mm t=8.5mm Over matched weld joint Internal pressure 11MPa Crack length 6mm 9.2mm 13.8mm 25mm Strain (ε 1 ) Over-matched condition

27 2. Constraint-korrigert bruddmekanikk: Effekt av geometri BRUDDSEIGHET SPREKKENS DRIVENDE KRAFT SENT clamped (a/w=0.2) SENT clamped (a/w=0.2) RESISTANCE J SENB (a/w = 0.2) SENB (a/w = 0.5) APPLIED J SENB (a/w = 0.2) SENB (a/w = 0.5) CONSTRAINT [Q,M] CONSTRAINT [Q,M]

28 Applied J (crack driving force) Resistance J (toughness) All we need are test data and 3D FE calculations...

29 Eksempel på anvendelse av constraint korreksjon

30

31 BS 7910 Level 2a crack at FL BS 7910 Level 2a crack in WM BS 7910 Level 2a crack at FL Mismatch flange thickness EM 30 UM 30 OM 30 EM 30 UM 30 OM 30 OM or EM σy BM [MPa] σm BM [MPa] σy WM [MPa] σm WM [MPa] σmem [MPa] a [mm] >

32

33 Resultatet av constraint-beregninger Applied CTOD for en 9 mm dyp sprekk er lavere enn 0.02mm Ekstremt lav sannsynlighet for å få sprøtt brudd

34 3.Miljø assistert bruddmekanikk: Effekt av prøvebetingelser og miljø *belastning: forspent, hastighet, cyklisk *prøve-geometri *constraint: sprekk, kjerv, glatt *temperatur *miljø *...

35 Prøving av titan-legering i 60-årene Kjervete bøyeprøver i miljøkammer Inspirert av Galileo år tidligere

36 K IC Ti-8-Al-1-Mo-1-V 3.5%NaCl K IEAC tørt tid til brudd (min) K IEAC : grense for å unngå brudd selv etter lang tid K IC : bruddgrensen ved initiell (tørr) pålastning

37

38 13%Krom og hydrogen... SENT prøving prøving ved langsom konstant belastningshastighet ( mm/min) bestemme CTOD-R kurven CTOD [mm] y = 1.47x 0.78 air/rt y = 0.31x mV/RT Crack extension [mm]

39 SENB prøving prøvene blir initielt belastet til gitt CTOD-value bestemme terskelen for initiering av brudd Belastet til CTOD=0.079 Etter 40 timer eksponering ved -1050mV SCE

40 STREKKPRØVING prøving ved langsom konstant belastningshastighet innsnøring ved brudd er et kriterium 85

41 4.PROBABILISTISK BRUDDMEKANIKK Sannsynlighet for å få brudd APPLIED Påført belastning, K I FREKVENS RESISTANCE Materialets bruddseighet, K IC SANNSYNLIGHETEN FOR BRUDD SPENNINGSINTENSITETSFAKTOR

42 Partial safety factors γ γ L A R γ γ R L - applied load R - resistance ( ) γ γ... - partial saftey factors applied load 1 2 A ( ) γ γ... - partial safety factors resistance 1 2 R Design against fracture with a given safety level achieved

43 EKSEMPEL Etter Sharif Rahman BØYING AV RØR MED EN OVERFLATESPREKK M=bøyemoment

44 Materialegenskaper Fastning Ramberg-Osgood relasjonen Duktil sprekkvekst

45 J-INTEGRALET ELASTISK LØSNING

46 PLASTISK LØSNING

47 BRUDDBELASTNING INITIERING AV DUKTILT BRUDD a O er den initielle sprekkdybden USTABILT BRUDD ELLER MAKSIMUM LAST a * er sprekkdybden der sprekken blir ustabil

48 SANNSYNLIGHETEN FOR Å FÅ BRUDD P F er sannsynligheten for å få brudd X er en N-dimensjonal vektor som kvantifiserer input-parametrene f(x) er felles sannsynlighets funksjonen av X

49 STATISTISKE FORDELTE IN-PUT PARAMETRE Sprekklengde Sprekkdybde Rør-diameter/tykkelse forholdet E-modul Flytegrense Strekkfasthet Ramberg-Osgood fastningsparametre Bruddseighet og sprekkvekst Påført bøyemoment M f : moment som gir brudd M :det påførte momentet

50 PÅLITELIGHETSBEREGNINGER Utregninger krever en multidimensjonal integrasjon Lineær metode: First order reliability method, FORM Kvadratisk metode: Second order reliability method, SORM Monte Carlo simulering: Gjentatte deterministiske beregninger Monte Carlo med importance sampling: Generere mer resultater fra områder av spesiell interesse

51 EKSEMPEL 304 Rustfritt rør, Diameter 700 mm, tykkelse 34 mm ustabilt initiering Monte Carlo er basert på analyser Sannsynligheten for brudd øker med økende belastning

52 5.Direkte beregninger: bruddmekaniske FE beregninger utført direkte på den aktuelle konstruksjonen Line spring location

53 3D with crack Shell element with linespring Line Springs connecting the shell elements

54 3D modell Skall-modell+linespring

55 Global strain - CTOD PIPE (tension): OD=400mm, WT=20mm, a/wt=0.5, σ ys =400MPa, E=200GPa, n= c a 1.75 CTOD [mm] D (2c/O=0.04) 3D (2c/O=0.1) Link PIPE (2c/O=0.04) Link PIPE (2c/O=0.1) Strain [%]

56 a 2c Calculation time 3D sec (cpu) LINKpipe 100 sec (cpu)

57 COST BENEFIT Preprosessing 3D - calculation 20 hours LINKpipe 10 seconds Processing Postprocessing 17 hours calculation time, gives 3 hours inefficiency 2 hours 2 minutes 10 minutes TOTAL 25 hours NOK 12min and 10sec 200 NOK

58 Accuracy 3D FE calculations Shell elements FE calculations with line spring Analytical equations (CrackWise) Accuracy Costs Costs 3D +high accuracy, realistic results -very time consuming, must be an expert Analytical +high speed, standarised -low accuracy, limited approach, must be skilled

59 LINK PIPE FEATURES 1.The calculations are performed directly on the structure with realistic: -size and location of defect -geometry -tensile/bending loading -internal/external pressure 2.LINK PIPE combines structural analysis (plastic collapse, buckling) and local defect analysis (fracture) 3.LINK PIPE is merging the competence of materials- and structural engineering in a user-friendly way. No in-depth expert knowledge is needed 4.The speed of calculation is extremely high, close to real time. The defect size and dimensions of the structure can be changed within a few seconds

60 LINK PIPE FEATURES... 5.LINK PIPE opens up for statistical evaluations -no analytical equations are neede -scatter in material data, loads, dimensions etc can be examined -sensitivity analysis -Monte Carlo simulations -partial safety factors for a given system or project OPTIMISATION OF COST AND SAFETY 6. Real time processing of data opens up for efield applications

61 LINK PIPE BENEFITS 1.Dramatic reduction in man-hours EXAMPLE: Surface defects in pipelines 3D calculations NOK LINK PIPE 200 NOK 2. Direct calculations are more realistic than analytical approaches (CrackWise...) This gives better utilization of materials and design solutions 3. Extremely high speed of calculation and generation of new models Scatter can be treated realistic Cost and Safety can be optimised 4.Data from a monitoring system can directly be transformed to concequences Reduced need to store and transmitt data Reduced need for monitoring, inspection and control