随着我国经济的高速发展,作为国民经济血管的油气管道以年均10%以上的速度飞速增长。聚乙烯管因具有强耐腐蚀性、良好的焊接性能、经济环保性、使用寿命长等优点,已广泛应用于油气输送等领域。据统计,新铺设的城市中低压燃气管道90%以上均使用聚乙烯管,且大量使用电熔接头进行连接。调研结果显示,接头是管道系统的薄弱环节,因而其安全性是确保整个管道系统安全运行的关键。贯穿电熔套筒的慢速裂纹扩展是电熔接头三类主要失效模式之一,而慢速裂纹扩展是一种时间跨度最大可至数十年的裂纹扩展形式,远超过了标准中规定的1000小时,因而依据现有的技术标准无法有效地检测出该失效模式。现阶段国内外对耐慢速裂纹扩展能力的评价仍以原始标准试样的测试试验为主,给出预置特定裂纹的试样在蠕变拉伸条件下的裂纹扩展失效时间。由于并未考虑实际结构和载荷情况,这种测试方法无法定量地获得电熔接头的使用寿命与裂纹扩展过程的关系。目前也尚没有针对电熔接头慢速裂纹扩展这一失效模式的检验与评价方法,亟需进行更为深入的研究,为基于该失效模式的设计及检测方法的提出作好前期的技术准备,从而提升聚乙烯管道系统的安全保障能力。本文在国家自然科学基金青年基金项目"聚乙烯管道电熔焊接接头超声检测特征线的形成机理研究"(项目编号:51305394)和国家自然科学基金面上项目"基于粘弹性损伤模型的聚乙烯管材慢速裂纹扩展机理研究"(项目编号:51575480)的支持下,采用理论模型、试验研究和数值计算三者相结合的方法,建立了聚乙烯管电熔接头慢速裂纹扩展的数值研究方法,主要研究内容以及结论如下:(1)进行了不同温度下的松弛实验,基于时温等效原理,获得了 25℃和80℃下聚乙烯材料线性黏弹性本构模型的Prony级数表示形式;提出了可用于表征裂纹扩展的损伤模型,且通过两个不同应力水平下的蠕变实验详述了确定损伤模型参数的方法,并初步给出了 25℃和80℃这两个温度下的相关参数;基于有效应力的概念,将上述损伤模型与线性黏弹性本构模型结合,建立了含损伤黏弹性模型,为构建慢速裂纹扩展的数值研究方法提供了理论基础。(2)进行了一维线性黏弹性方程的数值离散,并据此推导了三维情形下的损伤黏弹性方程的增量形式,将损伤的计算与应力更新计算进行了解耦处理,提高了数值方法的收敛性;遵循了用户材料子程序UMAT编制的相关规则,实现了本文建立的含损伤黏弹性本构模型的二次开发;设计了一种滑动式半自动切口制样装置,进行了25℃下慢速裂纹扩展研究的标准单边切口蠕变试验(PENT试验),采用VIC-2D非接触式视频引伸计记录了试验过程;而后基于编制的UMAT子程序建立了 PENT试验有限元分析模型,采用损伤后的单元集合表征裂纹的扩展路径,模拟结果能够较好地预测拉伸、张开位移—时间曲线,验证了本文建立的数值方法的有效性;在此基础上详细分析了 PENT试验过程中裂纹慢速扩展的原因,探讨了损伤参数对慢速裂纹扩展过程的影响规律;上述工作为考虑实际载荷工况时工程构件中的慢速裂纹扩展模拟提供了有效的数值工具。(3)详细分析并讨论了 80℃下静液压试验过程中含缺陷聚乙烯管电熔接头中贯穿电熔套筒的慢速裂纹扩展行为,釆用线弹性有限元计算与断裂力学理论相结合的方法分析了裂纹扩展路径与管材轴向约成75°夹角的现象;利用本文建立的损伤表征裂纹扩展的数值方法,实现了贯穿电熔套筒的慢速裂纹扩展过程模拟,得到了失效时间,探讨了裂纹扩展过程中应力的时空变化规律;基于数值计算结果,研究了电熔套筒厚度、管材厚度、内冷焊区长度、熔合区长度等结构参数对慢速裂纹扩展过程的作用规律,并给出了内压—慢速裂纹扩展失效时间曲线,得到了相应的拟合公式。