Development of J-integral solutions for semi-elliptical circumferential cracked pipes subjected to internal pressure and bending moment

内圧及び曲げ荷重を受ける配管に存在する周方向半楕円き裂を対象としたJ積分の解の構築

宇田川 誠; 勝山 仁哉  ; 山口 義仁 ; Li, Y. ; 鬼沢 邦雄 

Udagawa, Makoto; Katsuyama, Jinya; Yamaguchi, Yoshihito; Li, Y.; Onizawa, Kunio

J積分の解は、弾塑性破壊力学に基づくき裂進展解析や破損評価を実施する際に用いる重要な力学パラメータである。原子力発電プラントにおける配管系の構造健全性評価において、周方向半楕円き裂は最も重要なき裂形状の一つである。このき裂形状に対するJ積分の解としていくつか提案されているものの、き裂の最深点と表面点の両方においてJ積分値を算出できる解は無い。このため本研究では、まず有限要素解析により周方向半楕円き裂の最深点及び表面点のJ積分値を求め、次に実用的なJ積分値の解として簡便なJ積分算出式を整備した。最後に、弾性域における応力拡大係数解との比較や、材質の異なる場合における有限要素解析結果との比較により、J積分値算出式の精度と適用性を確認した。

The J-integral solution for cracked pipes is a high important parameter in crack growth calculation and failure evaluation based on the elastic-plastic fracture mechanics. One of the most important crack types in structural integrity assessment for nuclear piping systems is circumferential semi-elliptical surface crack. Although several J-integral solutions have been provided, no solution was developed at both the deepest and the surface points of circumferential semi-elliptical surface cracks. In this study, the J-integral solutions of circumferential semi-elliptical surface cracks were developed by numerical finite element analyses. Moreover, in order to benefit users in practical applications, a pair of convenient J-integral estimation equations were developed. The accuracy and applicability of the convenient equations were confirmed by comparing with the provided stress intensity factor solutions in elastic region and with finite element analysis results in elastic-plastic region.