河流穿越高压输气管道悬空长度的动态演变过程及临界状态的数值方法研究

针对河流对穿越高压输气管道支撑边界的冲刷导致悬空长度变化的动态演变过程,利用ANSYSMultiphys-ics软件建立河床一管道一水流3维有限元整体模型。运用顺序耦合法实现了穿越高压输气管道由于水流冲刷引起悬空长度不断变化条件下流体与固体结构间双向耦合的动力学仿真。针对西气东输的实际高压输气管道,获得了在不同悬空长度和水流速度下管道的动态应力应变场及热点应力,基于强度准则确定了不同壁厚管道在不同流速下的临界悬空长度。提出的河流穿越高压输气管道悬空长度的动态演变过程及临界状态的数值方法,可为河流穿越输气管道的安全监测及风险评价提供理论支撑。     

基于有限元分析的PE燃气管道有固定墩的跨越段应力分析

研究有固定墩的聚乙烯燃气跨越管道力学性能,对城镇燃气管网的安全运行具有重要意义。基于有限元分析理论,建立了两端设有固定墩的聚乙烯跨越管道仿真模型,运用工程分析软件ANSYS对聚乙烯燃气管道进行模拟,分析并讨论了跨长、管径以及内压等因素对管道变形和应力的影响及其变化规律。研究结果表明,管道跨中挠度在跨长低于15m 时增加缓慢,但是当跨度大于15m 时,管道的跨中挠度会急剧增加;管道所受的应力随着管道跨度的增加而增加,但是增长相对平稳;管径对管道的跨中挠度和应力也有影响,管道的跨中挠度和应力均随着管径的增大而减小;管道内压对管道的跨中挠度影响较小,几乎没有变化,但是管道所受应力随着管道内压的增大而增大。     

基于ANSYS的跨越管道的有限元分析

为了研究有固定墩单管直接跨越管道在自重及内压作用下的受力情况,利用有限元分析软件ANSYS 对管道进行了有限元分析,并通过改变同一跨越管道的跨长和管道外径,进行了数值模拟分析。通过分析,找出了 有固定墩单管直接跨越管道的应力集中点及管道失效点。结果表明,随着跨长的增加,管道自重和内压对跨越管道 的应力和应变的影响逐渐增加,当跨长超过25m 时,此跨越管道处于危险失效状态;当跨长一定时,管道应力和应 变随半径的增加而增大,当半径为610mm 时,此跨越管道失效。为了避免跨越管道的失效,在设计计算和安装时, 需要综合考虑跨越管道的受力影响因素,使用桁架跨越、悬索跨越等其他跨越形式。     

基于有限元方法的悬空管道稳定性分析

自然灾害中的土体塌陷严重威胁埋地管道的稳定性。为了研究埋地管道在悬空塌陷区的稳定性,基于有限元方法,研究了壁厚、外径不同的埋地弯管在悬空状态下的位移、应变和应力;采用特征值屈曲理论,研究了一定条件下埋地弯管在土体塌陷时所能承受的极限长度。结果表明,减小管道在土体中的埋深、增大管道外径以及壁厚,可以有效降低管道在土体塌陷过程中的位移,管道的应力和应变均发生在塌陷区的中心和两侧固支端的位置;管道外径、壁厚的提高,可以在一定程度上抑制局部应力过高;埋地弯管在采空区的极限长度约为87 m,并且增大管道外径和壁厚可增强埋地弯管在土体塌陷过程中的抗屈曲能力。     

流速空间相关性对洪水作用下简支梁桥可靠度的影响

对一个两跨简支梁桥进行洪水作用下可靠性分析,将洪水流速视为随机场,基于模型试验分析了流速沿桥梁跨度方向的空间相关性,采用K-L展开法模拟流速随机场,研究了沿桥梁跨度方向流速空间相关性对洪水作用下桥梁可靠性的影响.结果表明:随着距离的增大,流速沿桥梁跨度方向的空间相关性减弱;可靠指标随着流速、相对淹没深度的增大而减小,当相对淹没深度趋于2.5时,可靠指标趋于恒定;流速空间相关性对可靠指标的影响显著,随着相关距离增大,可靠指标减小,并逐渐趋于常数.     

粉质黏土层直埋铸铁管道爆破地震效应

针对武汉市区内常见直埋球墨铸铁管道,设计实施邻近预埋管道的全尺寸爆破实验. 结合有限元数值计算方法,考虑管道不同埋深,研究爆破地震作用下粉质黏土地层内直埋管道动力响应. 研究结果表明,管道和地表峰值振速（PPVs）随爆源与管道距离的减小而增大,在管道正下方爆破为最危险工况. 管道中心截面为危险截面,危险截面PPVs以管腰和管底较大,动态应变以轴向拉伸应变为主,环向应变次之,峰值有效应力以底部单元最大,管道肩部最小. 管道不同埋置深度和PPVs具有比例关系,通过实测地表振速与管道有效应力关系可以预测管道截面爆破峰值有效应力,计算关系式可以为岩土爆破施工中邻近管道的安全性评价提供计算方法.     

含水率对膨润土改性黄土的动力特性研究

结合宁夏同心地区黄土的特点,以含水率为因素,设计单因素试验,应用美国GCTS公司动三轴测试系统控制膨润土掺量、压实度、围压、动剪应力比、频率和循环次数等条件的方法,研究了改性黄土的孔隙压力、轴向应变、应力-应变和滞回阻尼等动力特性。结果表明:孔隙压力随着循环次数的增加而逐渐增大,随着含水率的增大孔隙压力增加速率增大,并且单个周期内孔压的峰值与最小值差值减小;轴向应变随着循环次数的增加逐渐增大,随着含水率的增大而增大,单个循环周期内应变峰值与最小值差值减小;应力-应变曲线(滞回圈)随着循环次数的增加前期逐渐向右移动后期趋于稳定,随着含水率增大其向右移动的幅度增大,且倾斜程度减小;滞回阻尼随着循环次数的增加先迅速减小后缓慢减小,随着含水率增大其衰减的趋势更平缓。综合来看,膨润土改性黄土的含水率为12%时,其动力特性变化最为明显。     

管坯壁厚不均匀缺陷对铜管游动芯头拉拔过程影响分析

针对铜管管坯表面存在壁厚不均匀缺陷,为分析壁厚不均匀对铜管游动芯头拉拔过程的影响,采用壁厚不均匀度作为壁厚不均匀评价指标,并利用有限元分析软件MARC,建立壁厚不均匀铜管游动芯头拉拔有限元模型,对铜管游动芯头拉拔过程进行数值模拟.结果表明:随着壁厚不均匀度的增加,拉拔力逐渐减小,且大致成线性递减趋势,并产生波动,波动幅值随着壁厚不均匀度的增加而增大;游动芯头轴向位移和芯头窜动量都随着壁厚不均匀度的增加而增大,但增加的幅值逐渐减小;等效应力在轴向和径向的梯度逐渐增大,容易造成铜管在拉拔过程产生拉裂现象.随着壁厚不均匀度的增加,等效应变在径向和轴向存在严重分布不均匀,应变梯度较大,容易使铜管发生扭曲变形.     

东戈壁钼矿露天坑排土场位置与边坡稳定性分析

应用数值模拟技术对新疆东戈壁露天矿边坡不同排土场安全距离问题进行了真实有效地分析,直观地再现了边坡应力和位移变化,并得到边坡的稳定安全系数。结果表明:在没有排土场作用下,露天坑边坡处于相对稳定状态,当排土场安全距离为50m时,安全系数急剧减小到0.68,随着排土场安全距离的增大,安全系数随之增大。当排土场安全距离为300m时,边坡安全系数达到0.99,当安全距离大于400m时,排土场几乎不会对边坡的稳定性造成影响。数值模拟技术对边坡排土场安全距离的确定具有重要的指导意义,为东戈壁露天矿边坡开挖提供了有效的技术支撑。     

悬空管道地震响应试验研究

为研究地震作用下悬空管道的动力响应,设计并制作简易悬空管道试验装置,开展2种加载工况下9根管道的拟动力试验,研讨悬空长度、埋深及管径等因素对悬空管道地震响应的影响。研究结果表明：在地震荷载作用下,以管道悬空段中心为对称轴,管道应变近似反对称分布在管道的两侧,且管道的峰值应变出现在悬空管道的悬空段与土体交界处附近;在大位移条件下,管道峰值应变随管道悬空长度的增大而增大,随管径的增大而减小,随埋深的增大而减小。     

基于有限元分析的冻土区埋地腐蚀管道力学行为研究

针对埋地管道设计未充分考虑作业过程中管道受冻胀和腐蚀作用时的受力变化情况,根据冻土区埋地腐蚀管道的复杂性,以及冻土区埋地管道受力变形破环因素,建立适用于冻土区埋地腐蚀管道的有限元模型,研究了环境温度、腐蚀深度和长度等因素对管道应力的影响。结果表明,影响冻土对腐蚀管道作用的因素主要为抬升高度及端部拉应力,抬升高度导致腐蚀管道的应力及应变线性增加,但端部拉应力的作用效果与其相反;管道的应力应变与腐蚀深度的二次方成正比,腐蚀长度的增加导致管道应力及应变先急剧增加,且长度大于150 mm时,管道力学性能在一定范围内小幅波动。研究结果可为冻土区埋地管道的设计提供一种新的思路和方法。     

FEM modeling for 3D dynamic analysis of deep-ocean mining pipeline and its experimental verification

3D dynamic analysis models of 1000 m deep-ocean mining pipeline, including steel lift pipe, pump, buffer and flexible hose, were established by finite element method (FEM). The coupling effect of steel lift pipe and flexible hose, and main external loads of pipeline were considered in the models, such as gravity, buoyancy, hydrodynamic forces, internal and external fluid pressures, concentrated suspension buoyancy on the flexible hose, torsional moment and axial force induced by pump working. Some relevant FEM models and solution techniques were developed, according to various 3D transient behaviors of integrated deep-ocean mining pipeline, including towing motions of track-keeping operation and launch process of pipeline. Meanwhile, an experimental verification system in towing water tank that had similar characteristics of designed mining pipeline was developed to verify the accuracy of the FEM models and dynamic simulation. The experiment results show that the experimental records and simulation results of stress of pipe are coincided. Based on the further simulations of 1 000 m deep-ocean mining pipeline, the simulation results show that, to form configuration of a saddle shape, the total concentrated suspension buoyancy of flexible hose should be 95%?105% of the gravity of flexible hose in water, the first suspension point occupies 1/3 of the total buoyancy, and the second suspension point occupies 2/3 of the total buoyancy. When towing velocity of mining system is less than 0.5 m/s, the towing track of buffer is coincided with the setting route of ship on the whole and the configuration of flexible hose is also kept well.     

输油管道梁式直跨段弯管处应力的数值计算

在长输埋地管道的施工中, 由于地形复杂多变, 弯管被广泛应用于管路系统当中。因为弯管具有特殊的形状和结构形式, 所以弯管不但可以改变管道的轴线方向, 而且增加管线的柔性。但是, 在特殊的环境条件下,弯管往往是管路系统中应力集中的部位, 在一定的条件下会引起塑性变形, 给管道的安全运行带来隐患。应用有限 元分析软件, 对埋地输油管道的特殊点处( 弯管) 的应力进行了数值计算与分析, 得到了埋地输油管道在管路穿越段局部承受径向压力载荷时弯管处 V o nM i s e s应力分布规律, 以及当载荷长度、 弯管角度和曲率半径对弯管所受应力的影响规律。     

T型接头激光焊接的温度场和应力场的数值模拟

基于SYSWELD的焊接分析功能,采用有限元方法研究激光动态焊接过程中温度场、应力场、应变场的变化情况,应用SYSWELD软件的校正工具对三维高斯热源进行校核.考虑各相的热物理性能参数与温度的非线性关系,建立焊接过程的数学模型和物理模型,以不锈钢X5CrNi1810为例,对T型接头进行三维动态模拟.结果表明:随焊接速度的减小,热循环在高温时刻停留时间增加,冷却速度减慢;随着远离起始端距离的增加拉应力值逐渐减小转变为压应力,最后趋向零.     

固定托架对管道跨越结构的安全性分析

沿河土体沉降对埋地管道跨越结构的影响较为严重,若要有效防止跨越结构的破坏,则需要采用有效的预防措施。建立管道跨越结构与土壤相互作用的有限元力学模型,分析了采用固定托架结构时管道跨越结构的应力变化情况。分析结果表明,当跨越结构受到土体沉降的影响时,固定托架可以有效地减小管道所受到的应力;固定托架的安装位置对降低管道跨越结构应力的影响较为突出。研究结果可为管道跨越结构的安全建设提供理论依据。     

土体沉降位置对管道跨越结构应力影响的数值计算

当土体发生沉降时会使管道产生额外应力,给埋地管道带来安全隐患。埋地管道跨越结构的受力较为复杂,因此建立了跨越段埋地管道与土壤相互作用的有限元力学模型,分析了采用不同角度跨越结构时,管道跨越结构的应力变化情况。此外,根据该模型,详细分析了跨越段附近不同位置土体发生沉降时管道应力的变化情况,重点研究了当跨越结构中斜管段与水平方向夹角为50°时管道内的最大应力随土体沉降位置的变化情况,可为埋地管道的施工建设提供理论依据。