1.高压流体控制件和高压管汇课题的理论背景
在科学技术领域内，对于许多的力学问题和物理问题，人们已经得到了它们应遵循的基本方程(常微分方程或偏微分方程)和相应的定解条件。但能用解析方法求出精确解的只是少数方程性质比较简单，且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题，由于方程的某些特征的非线性性质，或由于求解区域的几何形状比较复杂，则不能得到解析的答案。这类问题的解决通常有两种途径。一是引入简化假设，将方程和几何边界简化为能够处理的情况，从而得到问题在简化状态下的解答。但是这种方法只是在有限的情况下是可行的，因为过多的简化可能导致误差很大甚至错误的解答。因此人们多年来寻找和发展了另一种求解途径和方法一数值解法，特别是近三十多年来，随着电子计算机的飞速发展和广泛应用，数值分析方法已成为求解科学技术问题的主要工具。
有限单元法的出现是数值分析方法在研究领域的重大突破。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个，且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或及其导数在单元的各个节点上的数值就成为新的未知量，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经解出这些未知量，就可以通过插值垂数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解，显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。
断裂力学发展至今相对地讲线弹性部分较为成熟，理论简单，基础较牢固，已在某些工程方面取得了应用。主要判定准则有Griffith准则即能量释放率准则和Irwin准则即应力强度因子K准则。弹塑性断裂力学的理论主要有COD〔裂纹尖端张开位移)理论（19 60）和J积分理论(1968)，这两个理论构成弹塑性断裂力学的主体，应用这两个理论可以分析裂纹从开裂、扩展、直至失稳的全过程。断裂力学作为一门真正的学科，它的发展异常迅速，从1957年G.R . Irwin提出应力强度因子概念算起，也还不到50年，是目前固体力学最活跃的分支，对于诸如金属物理、冶金学、材料科学以及航空、机械、建筑和地震工程等各工程技术部门都产生的重大的影响，显示出它巨大的生命力，并已被广泛地用来解决各种工程实际问题。在国内外都有不少应用断裂力学颇为成功的例子，有不少国家和部门甚至已根据断裂力学来制定设计准则和验收规范。例如美国的B一1轰炸机就是应用断裂力学来进行设计的；此外如英国北海油田的采油平台支架和美国阿拉斯加的输气管线的缺陷容限评定等，都是断裂力学在工程应用上典型范例。至于断裂力学在压力容器中的应用，特别是在核容器中的应用，相对来说更加成熟一些。
高压管汇的破损预测分析首先以弹塑性分析为基础，弹塑性分析的方法采用的是有限元法，由于高压管汇的几何形状复杂，找不到现成的解析解，只能求其数值解。以其数值解为依据，按相应的断裂力学理论对其进行破损预测分析。
2.高压流体控制件和高压管汇课题的工程意义和应用价值
高压管汇又称高压流体控制件的总汇。高压管汇在石油化工及天然气管道中被普遍使用。由于内部承受很高的冲击压力和交变荷载，厚度磨损较大。随着使用年限的增长，在高压管汇中产生疲劳断裂。在石油化工等生产中，管道、管汇担负着输送各种物料的任务，一旦发生事故就会导致危及装置的正常生产，甚至可能引起火灾、中毒、爆炸等恶性事故，因此对高压管汇的破损预测和使用寿命评判的研究在工程界是极为关注的。本文将对此作以较为深入的研究，从强度分析入手，在此基础上对高压管汇进行一此性断裂分析、疲劳断裂寿命分析及裂纹扩展寿命分析，同时本文研究的原理和成果还可以推广到油田及石油化工等行业的油管、套管、钻杆、钻挺等材料和零件的破损预测分析。
辽河石油勘探局井下压裂公司目前使用的液氮泵车、压裂车、填砂车和酸化压裂车的高压管汇工作压力通常为40 MPa以上，设计压力为100 MPa，根据《工业管道工程施工及验收规范》(GBJ235-82)的规定，按设计压力将工业管道从低到高分为四级，当管内压力p＞10 MPa时，即认为是高压管道，高压管汇是第四级。由于井下压裂公司的高压管汇使用周期较长，而且经常处于交变荷载的作用，管道厚度磨损较大，应力集中处易出现疲劳断裂裂纹，为确保安全生产并为高压管汇的正确使用提供科学依据，本文将高压管汇的研究成果在此具体应用，取得了令人满意的效果。
3.高压流体控制件和高压管汇国内外的研究概况
目前，国内外的学者对高压管汇及管道的破坏、失效及评定方法己进行了许多研究，但通常研究的压力荷载为40 MPa以下，对于压力荷载为50 MPa~100 MPa的则很少有人研究。从公开发表的研究成果看，采用有限元法对应力的分析只限于弹性变形的范围。在对管道进行断裂分析多数应用线弹性断裂准则，没有考虑裂纹尖端塑性区的影响。国外对压力管道的研究，主要侧重于管道的腐蚀断裂问题和管道破坏后的安全问题的研究。对于天然气石油管道的腐蚀断裂问题的研究，1985年曾制定ANS/ASME B31G标准，1997年Dr David Batte和Dr Bin Fu(British Gas Pipelines Research Centre)发表论文并对此准则做了进一步的发展，提出以实效准则和数值分析为主要的腐蚀管道裂纹及评定的较精确的方法。80年代初国际上展开了大量管道缺陷安全评定技术的研究，有些工业国家制定了专门针对管道缺陷的验收标准与缺陷评定规范，80年代末又组织了有九个国家和地区参加的国际管道完整性研究计划。国内目前的研究工作主要集中于压力容器的缺陷评定方面，且大部分的研究、分析和实验工作主要集中于起裂评定，而结构的安全分析则要考虑裂纹的起裂、断裂和失稳的全过程，因此对于高压管汇特别是压力荷载超过40 MPa的高压管汇的强度分析及疲劳寿命的预测就成为一项空白。
4.高压流体控制件和高压管汇研究内容
高压管汇用来输送介质，为保证介质按设计路线畅通无阻。高压流体控制件常见的有高压直管、活动弯头和三通。这些高压流体控制件的有机组和构成的高压管汇，使输送的介质按需要到达设计要求的地方。
高压管汇中的直管、活动弯头和三通管的国产材料为30Cr，进口材料相当于美国ASME标准中SA372-V-3B型钢锻件，其材料的化学成分、机械性能、断裂参数等均没有详细的数据资料，在本项研究中要对材料的化学成份、机械性能、断裂参数作实验、和实测分析(委托大连理工大学振动与强度测试中心和材料力学与实验室)
研究的具体内容如下：
高压流体控制件直管的强度分析：按规格分高压件有3＂、2＂和1.5＂三种，在三种类型中选择有代表性的三个高压件在荷载工况为50 MPa、70 MPa、100 MPa内压下做强度分析计算；
高压流体控制件的活动弯头强度分析：亦是从3＂、2＂和1.5＂三种规格选择有代表性的三个高压件在荷载工况为50 MPa、70 MPa、100 MPa内压下做强度分析计算；
高压流体控制件的三通有限元强度分析，选择进口和国产各一种在荷载工况为50 MPa、70 MPa、100 MPa内压下做强度分析计算；
高压流体控制件的直管端头的有限元强度分析，在荷载工况为50 MPa、70 MPa、100 MPa内压下做强度分析计算，因端头曾产生过断裂，要对断裂的原因进行理论分析；
应用线弹性断裂力学准则对高压流体控制件的直管、直管端头、弯头、和三通管做一次性断裂破坏分析；
应用低周疲劳理论对对高压流体控制件的直管、直管端头、弯头、和三通管进行疲劳断裂分析；
应用Paris公式及Miner的线性累加公式对高压流体控制件的直管、直管端头、弯头、和三通管进行裂纹扩展寿命分析。
