地表载荷对硬岩区埋地管道应力应变影响分析

为研究地表载荷对硬岩区埋地管道力学性能的影响,建立了管-土耦合三维数值模型,分析了地表载荷大小、作用面积、管道压力、管道径厚比及回填土弹性模量对管道应力分布、塑性应变、椭圆度的影响。结果表明:地表压载作用下,高应力区首先出现在管道顶部且呈椭圆形;随着地表载荷及其作用面积的增大,管道高应力区逐渐扩大,管道截面左右两侧也出现应力集中;随着回填土弹性模量、管道壁厚及内压的增加,管道顶部高应力区及最大等效应力均减小。塑性应变首先出现在管顶,且塑性区随地表载荷、载荷作用长度增加而增大,随回填土体弹性模量及管道壁厚增大而逐渐减小;当内压为0~4MPa时,管道塑性应变及塑性区随内压的增大而减小。管道椭圆度随回填土体弹性模量、管道内压、壁厚增加而逐渐减小,随地表压载增大而增大。     

地表夯击载荷作用下埋地管道力学分析

为研究地基强夯作业中夯击载荷对埋地管道力学性能的影响,基于有限元原理建立了夯锤-管道-围土耦合三维模型,分析了夯击过程中管道截面变形及所受冲击力变化规律,研究了管道壁厚、夯击速度、夯锤体积对管道应力、应变及变形的影响规律。结果表明:夯击载荷下的管道所受冲击力为脉冲型,且随时间推移逐渐降低为0,最大冲击力随管道壁厚、夯击速度、夯锤体积增大而增大;管道最大等效应力、高应力范围及最大等效塑性应变随壁厚增加而减小,但随夯击速度或夯锤体积增大而增大;随着夯击速度、夯锤体积增大,管道截面变形率（椭圆度或凹陷率）逐渐增大,但其随壁厚增加而减小。     

基于ABAQUS的穿越公路输气管道力学性状分析

为研究穿越公路埋地天然气管道在车辆载荷下的力学性状,运用ABAQUS有限元软件建立了输气管道-覆盖土壤的三维接触模型,模拟了不同管径、管道壁厚、管道内压、管道埋深以及交通载荷工况下,管道的应力应变情况,得到了不同变量条件下埋地天然气管道的应力应变规律。研究结果表明:交通载荷下输气管道穿越公路时,从经济性考虑,其埋深应控制在2m范围内;结合管道内压,对不同超载程度下重载车辆对埋地管道的力学性能影响进行分析,从安全性考虑,管道宜采用套管敷设穿越形式。所得结论可为输气管道穿越公路段的设计提供参考。     

基于ABAQUS的穿越公路输气管道力学性状分析北大核心CSCD

为研究穿越公路埋地天然气管道在车辆载荷下的力学性状,运用ABAQUS有限元软件建立了输气管道-覆盖土壤的三维接触模型,模拟了不同管径、管道壁厚、管道内压、管道埋深以及交通载荷工况下,管道的应力应变情况,得到了不同变量条件下埋地天然气管道的应力应变规律。研究结果表明:交通载荷下输气管道穿越公路时,从经济性考虑,其埋深应控制在2m范围内;结合管道内压,对不同超载程度下重载车辆对埋地管道的力学性能影响进行分析,从安全性考虑,管道宜采用套管敷设穿越形式。所得结论可为输气管道穿越公路段的设计提供参考。     

城镇燃气埋地含缺陷聚乙烯管道应力分析

建立了埋地含缺陷聚乙烯管道模型,应用有限元方法计算管道的应力和变形量,分别考虑管道内压、地面载荷和管道缺陷深度变化对管道应力和变形的影响。研究结果表明,管道最大应力随管道内压的增大而增大;随地面载荷的增加呈先减小后增大趋势;随管道缺陷深度增大而增大。管道变形量随内压增大而增大,但增长较小;随地面载荷增大而增大,增长较大;管道缺陷深度只对管道缺陷处变形量有影响。研究结果为确定城镇燃气聚乙烯管道工作能力提供了理论依据。     

埋地PE燃气管道弯头挖掘破坏有限元分析

为分析挖掘载荷对PE燃气管道弯头的失效特征及影响因素，利用Abaqus建立了挖掘斗齿 管道弯头 土体多体动力学模型，将管道破坏过程分为接触、屈服、挖裂和挖穿4个阶段，分析了不同挖掘条件下，弯头破坏的力学响应。研究结果表明:管道被挖裂之前，外侧应力、应变大于内侧，此后弯头形变量明显增加，内测应力、应变大于外侧；挖掘速度越慢，管道椭圆度越大；斗齿沿轴向挖掘时，变形从齿 管接触面两端产生，沿径向挖掘时，危险点出现在齿 管接触中心位置，后者变形更大；同样径厚比的弯头，管径越小，挖穿时形变越大。     

基于CFD的城市埋地天然气管道泄漏扩散数值分析

针对城市埋地天然气管道泄漏天然气扩散问题,基于计算流体动力学CFD方法建立城市埋地天然气管道泄漏扩散数值模型,对天然气的主要成分——甲烷在土壤中的扩散行为进行模拟与分析,根据甲烷的爆炸极限观察天然气泄漏扩散危险区域变化,并分析不同孔隙率土壤对天然气扩散的影响。研究结果表明:埋地天然气管道泄漏气体扩散至土壤过程中,气体浓度等值线出现不规则变化,高浓度区等值线近似为椭圆,浓度梯度随时间的增加而减小,爆炸下限位置在天然气泄漏初期迅速变化,10 s后以均匀速度向地表移动;土壤孔隙率对天然气对流扩散影响显著,孔隙率越大,管道泄漏口处高浓度区域越大,中浓度区域越小,低浓度区域越容易扩展到地表,浓度梯度变化趋势相似。     

横向穿越滑坡段埋地管道应变响应特性研究*

为准确描述横向滑坡作用下管道非线性响应特征,采用非线性自适应网格技术建立横向穿越滑坡段埋地管道三维有限元模型,利用非线性接触模型表征管土之间、滑坡体与非滑坡体之间的相互作用,探究滑坡位移、埋深及壁厚对管道应变响应特性的影响规律。研究结果表明:随着滑坡位移增大,滑坡体与非滑坡体交界区域和管道位移最大区域两侧管道应变显著增大,易发生失效;结合应变失效判定准则分析,管道不发生失效的最大滑坡位移、最小管道壁厚及最大埋深,在本文算例中分别是0.36 m、9.50 mm、0.97 m。因此管道经过滑坡区时,可适当增大壁厚、减小埋深;滑坡发生后,应重点关注滑坡体与非滑坡体交界区域及管道位移最大区域两侧的变形情况。研究结果可为穿越横向滑坡管道的设计及安全运营提供一定参考。     

覆土阻力对挖掘机损伤输气管道的动力响应研究

工程中管道挖掘损伤多为挖掘机具穿透土层后作用在管道上而导致。为确定覆土阻力下挖掘机对管道的损伤情况,利用ADAMS多体动力学软件,建立多体动力学仿真模型,再现挖掘过程,获取不同工况下有覆土阻力时管道所受挖掘荷载的时程曲线;最终将荷载时程曲线导入到ABAQUS有限元软件中,分析管道的动力响应情况。研究结果表明:单齿作用下管道承受的挖掘荷载的峰值是五齿作用下的1. 3～1. 9倍;与铲斗接触处的管道横截面的各项力学特征以接触点所在竖轴线为中轴线呈对称状态;挖掘荷载作用下,输气管道的Mises应力随着覆土厚度的增大而减小,且在覆土厚度变化量相同的情况下,覆土越深管道的Mises应力变化量越小。     

采空塌陷区埋地输气管道的变形及受力分析

针对采空塌陷对输气管道的潜在威胁,采用管道－土壤相互作用（PSI）单元,结合三向土弹簧非线性模型,建立采空塌陷区埋地输气管道的有限元计算模型,分析了不同管径、壁厚和内压影响下管道的变形和受力规律,并确定最大变形和最大受力的位置。结果表明:适当增加壁厚和减少内压能有效提高管道的安全性;最大Von-Mises应力和最大竖向应变位置均在内边缘塌陷区且靠近中间塌陷区;最大轴向应力和最大轴向应变位置均位于中间塌陷区两侧。所得结果对埋地输气管道穿越采空区的安全防护具有一定参考价值。     

埋深对城市地下管道爆炸的影响规律

在特定情况下,城市地下空间废弃管道中会因为油气的泄露等因素形成爆炸环境,利用AUTODYN建立合适的数值模拟模型,围绕管道内部爆炸后对覆盖层的毁伤效应和对地表面空气超压影响展开研究,给埋地管道内部爆炸模拟提供了新的思路。运用建立的模型对不同埋深管道上方覆盖层在爆炸荷载作用下的破坏过程、毁伤规律以及空气中爆炸冲击波的衰减规律进行研究,为建立全面的城市地下管道风险评估指标体系和确定安全防护规范提供了参考。研究结果表明:对于不同埋深管道爆炸,管道上层覆土层的厚度对爆炸后管壁产生的压力影响不大;随着埋深的增加,在空气中形成的伤害破坏范围变小,空气超压衰减符合空气中爆炸后冲击波的衰减规律,埋深每增加0.1m,其空气超压减小4.5%~5.1%左右。     

不同穿越角度对采空区埋地管道力学行为的影响

为解决采空区煤矿工作面逐渐开采引起的埋地管道力学行为变化问题，以实际地质参数为基础，运用有限元软件建立管-土三维有限元模型，模拟水平煤层工作面推进方向与管道走向之间不同夹角以及不同煤层倾角时工作面逐步开采引起的埋地管道力学行为变化，得出在2种情况下埋地管道的力学行为时变性规律。结果表明:水平煤层不同夹角开采时，在开采中后期，随着开采时间的不断增加，大夹角工况下的管道最大应力位移增长速度比小夹角工况快；开采完成后，水平夹角越大管道越危险；不同煤层倾角时，埋地管道最大位移变化随开采时间的增加基本呈线性趋势，且煤层倾角越大，管道的最大位移越小，管道越安全。     

截断阀室水淹后管道沉降的防护技术研究

为了保证长输天然气管道的安全运行,需要对其截断阀室遭受水淹后管道的不均匀沉降行为进行研究。应用ANSYS软件建立了管土非线性接触模型,通过对其进行分析建立了沉降量与最大Von Mises应力和椭圆度之间的映射关系,结果表明:不均匀沉降对管道强度的影响更明显,二者间基本呈线性关系,最大Von Mises应力随着沉降量的增大而增大,根据第四强度理论便可确定管道失效时的极限沉降量。同时还探讨了管径、内压、壁厚、埋深对管道应力状态的影响,降低内压、增大壁厚以及减小埋深和管径均可降低不均匀沉降时管道的最大Von Mises应力,但其中管径和壁厚的变化对管道最大Von Mises应力的影响更为显著。预期研究结果可以为山区管道的实时监测与防护措施制定提供一定的技术支持。     

凝聚态爆炸危险源外壳对爆炸冲击波影响的研究

容器中或储罐凝聚态化学危险品爆炸事故时有发生,容器或储罐壁的厚度对事故后果是否有影响,有什么影响,笔者利用非线性动力学有限元程序ANSYS/LS-DYNA,通过数值计算,研究了开阔空间带壳凝聚态爆炸危险源在空气中爆炸时,外壳厚度对爆炸应力波强度的影响。研究结果表明:易爆危险源壳体厚度的变化对爆炸冲击波的传播特性有显著影响。带壳易爆危险源爆炸作用场中的应力波峰值随距离的衰减指数与易爆危险源壳体厚度成线性关系,壳体越厚,衰减指数越大,应力波峰值随距离衰减越快。该结果为预测凝聚态易爆危险源爆炸事故后果,制定应急预案提供了科学依据。     

深层圆弧形滑坡作用下长输埋地输气管道响应分析

针对影响长输埋地管道安全运行的山体滑坡问题,基于深层圆弧形滑坡理论和有限元方法,建立了在深层圆弧形滑坡作用下的管道计算 模型,对管道的受力进行了数值模拟。对土壤密度、管道壁厚、管道内压以及土抗剪强度进行了参数敏感性分析,研究了各参数对发生滑坡时 管道所受最大应力的影响规律。结果表明:当滑坡规模、滑坡角度增大时,管道所受Von Mises值会随之增大;随土壤密度的增加,管道所受的 应力也会增加;在滑坡多发区,应设计大壁厚的管道,以增加管道安全性;应确保管道内压小于10MPa,当内压突增时应有紧急预案;土抗剪强 度对在深层圆弧形滑坡作用下管道所受应力的影响明显小于其他3个敏感参数。该研究工作为山体滑坡区的安全管道设计提供了一定的参考,对 确保滑坡区埋地管道的安全运营有重要意义。     

煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响研究

为研究煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响,模拟分析不同条件(埋藏深度、煤层厚度和煤体强度)下的应力、瓦斯压力和煤体塑性变形区的分布及变化。结果表明,随埋藏深度的增加,工作面前方应力峰值及应力梯度、瓦斯压力梯度、塑性变形区及塑性应变量等随之增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越高;随煤层厚度的增加,工作面应力峰值、应力梯度逐渐减小,出现应力峰值的位置越远离工作面,瓦斯卸压带、瓦斯排放带、塑性变形区越逐渐增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越小;随煤体强度的升高,工作面前方应力梯度、瓦斯压力梯度随之增大,塑性变形区和塑性应变值随之减小,煤与瓦斯突出危险性越来越小。     

水毁灾害中埋地管道稳定性研究

水毁灾害是长输油气埋地管道灾害中造成经济损失最严重、对环境危害最深远的自然灾害之一。为了分析埋地管道在水毁灾害中的稳定性,探讨了埋地管道在水毁灾害中的载荷分布情况;采用特征值屈曲理论,分析了埋地管道在水毁灾害中悬跨和漂浮2种主要形式下,不同管道外径和管道壁厚对埋地管道在水毁灾害中稳定性的影响,计算得到特定条件下埋地管道水毁的极限长度;建立了埋地管道在水毁灾害中的有限元模型。结果表明:管道在水毁灾害悬跨和漂浮情况下极限长度和屈曲位置不同,随着管道壁厚的增加,埋地管道在水毁灾害中的稳定性近似呈缓慢的线性增长;增大管道外径能够有效降低埋地管道在水毁灾害中的位移,并显著提高管道在水毁灾害中的抗屈曲能力。     

基于有限元的局部突变位移载荷下埋地管道力学分析

冻土融沉、盐渍土溶陷等地质灾害会导致局部土壤产生一定位移,对埋地长输管道安全性构成威胁。为保障埋地管道的安全运行,建立了局部突变型位移载荷作用下埋地管道力学分析模型,采用非线性土弹簧描述管土相互作用,分析了局部突变区域长度及突变位移量对埋地管道受力的影响。研究结果表明:因局部突变区长度与突变位移量的不同,管道存在3种受力状态,当局部突变区域长度大于临界突变区长度时,管道轴心应变与弯曲应变在突变区域内不产生耦合,此时在突变区域两端可等效为2个垂直正断层,即为第一种受力状态;当突变区域长度小于临界突变区长度时,随着突变位移的增加,管道应变随之增加,管道轴心应变与弯曲应变在突变区域内不断叠加,即为第二种受力状态;在第二种受力状态基础上,当突变位移大于临界突变位移时,管道应变不再发生变化,管道等效为受到垂向均布荷载的作用,即为第三种受力状态。研究结果可为工程中管道穿越地质灾害区域的设计提供参考。     

侧向载荷作用下X90管道局部屈曲研究

为了获取X90高强度管道局部屈曲临界载荷随管道尺寸、内压及管材参数的变化规律,基于ANSYS建立了侧向载荷作用下X90管道局部屈曲有限元数值模型,分析了X90管道局部非线性屈曲模态及特点,探讨了管道参数及管材性能参数对屈曲临界载荷的影响。研究结果表明:管道屈曲临界载荷随管径及壁厚的增大而增大;随内压的增大呈现先增大后减小的趋势;随材料幂硬化指数的增大而减小,同时还会受到环向应力的影响,环向应力越大,其随幂硬化指数减小的速率越快;管材屈服强度的提高可以在一定程度上提高X90管道的抗屈曲能力。研究结果可为X90管道的设计提供理论基础和参考。     

黄土湿陷过程下埋地油气管道力学行为有限元模拟

针对黄土遇水后湿陷产生陷穴并引起埋地管道悬空这一过程中管道的力学行为,以基于弹塑性地基的黄土湿陷区悬空管道力学模型为基础,从湿陷原因和机理出发,建立三维有限元实体模型,模拟了土体湿陷过程和沉降变形,模拟计算结果与理论值和实测值进行了比对验证;进一步的计算和回归分析得到了管道最大位移、最大von Mises应力与地表土体湿陷沉降量的变化规律,同时也得到了最终湿陷情况下管道的von Mises应力分布和湿陷区范围的影响。结果表明:土体湿陷沉降是管道和土体共同作用的结果,湿陷前期管道与土体一起运动,位移和应力增加较快,而管道下方土体脱离管道产生陷穴后则增长较慢;管道最大位移和土体湿陷沉降量间呈对数函数关系,而管道最大von Mises应力和土体湿陷量呈指数函数关系; 湿陷区管段向下弯曲变形会在3个位置形成应力集中区,湿陷区范围增大会引起管道应力和变形的明显增加,且3个区域的最值分布有所不同。