现绝大多数构件都属于焊接结构,而长输压力管道便是一种典型。在管道运行过程中,管体母材部分或焊缝周围会不可避免地产生裂纹缺陷。而在内部运行压力的作用下,这些裂纹可能高速扩展进入管体,且焊接残余应力的存在对裂纹扩展有很大影响。因此,开展压力管道焊接热影响区裂纹扩展研究,可为含裂纹管道的安全评估和止裂设计提供理论依据和参考。本文以ABAQUS软件为基础,并辅之以Python和Fortran编程,从理论出发,结合实验和数值模拟,研究了管道裂纹在静载荷与循环载荷下的扩展规律,并对管道焊接过程和焊后热处理进行了模拟分析,最后对焊接残余应力下管道裂纹扩展的规律及其极限载荷进行了分析。主要开展了以下几方面的研究工作:(1)基于断裂力学理论,通过Python编程模拟计算了平板穿透裂纹在扩展过程中应力强度因子、裂尖位置、裂纹扩展角等参数的变化规律;并较之理论值,证明了有限元法的可行性。(2)对管道母材表面裂纹和穿透裂纹进行了数值模拟分析。首先,通过对比数值模拟和经验公式计算值,证明了模型的可行性;其次,分析了不同规格管道表面及穿透裂纹断裂韧性参数变化规律以及裂纹扩展规律;最后,结合管道全尺寸疲劳实验,通过Walker公式推导出了基于能量释放率的管道疲劳裂纹扩展公式,并通过编程将其与ABAQUS结合,计算了管道在含不同形状参数裂纹时的疲劳寿命变化规律,为指导实际管道安全评估提供了理论依据。(3)以热-弹塑性理论为基础,通过Fortran编写DFLUX子程序施加双椭球热源,并通过Python编程建立多分析步生死单元进行焊接模拟。首先,通过焊接模拟结果与实验所测数据对比,说明了有限元法模拟焊接的可行性。其次,对西气东输X80管道焊接进行了数值仿真,分析了焊接时的温度场以及焊后残余应力的分布,对比钢板焊接理论变化趋势说明了结果的可靠性。最后,根据工程实际规范对管道焊后热处理进行了模拟,分析了热处理对焊接残余应力分布的影响。(4)将焊接残余应力映射至管道裂纹模型进行数值模拟,并与不含残余应力裂纹扩展规律进行对比分析。首先,研究了焊接残余应力下不同形状因子穿透和表面裂纹的韧性参数变化和扩展规律;其次,研究了不同加卸载荷对焊接残余应力的重分布规律;最后,对不同裂纹形状参数和应力比下管道焊接热影响区疲劳寿命进行了分析。(5)采用数值模拟方法分析了不同形状因子裂纹对母材及焊接热影响区含裂纹管道极限载荷的影响,对比几种塑性失效判定标准,说明了标准的局限性,并根据非线性回归分析法,基于PCORRC失效公式,利用MATLAB拟合修正得出了含表面裂纹管道的极限载荷公式。