運(yùn)用斷裂力學(xué)相關(guān)理論,考慮管道接觸的非線性、管道內(nèi)壓、水流載荷等因素的影響,基于ABAQUS有限元軟件對(duì)含環(huán)向裂紋懸跨管道進(jìn)行了分析,并考慮不同管土接觸邊界條件、不同土質(zhì)及不同土體剛度對(duì)管道裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響,得出了相應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子值。結(jié)果表明:以等效彈簧模擬管道和土體的接觸更符合管道實(shí)際受力情況;土壤特性對(duì)懸跨管道環(huán)向裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子有一定影響,較軟土質(zhì)應(yīng)力強(qiáng)度因子大于較硬土質(zhì);管土接觸邊界對(duì)懸跨管道環(huán)向裂紋影響很大,不同接觸邊界的應(yīng)力強(qiáng)度因子差值范圍在25%～55%之間。 

【文章來源】：應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào). 2019,36(06)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

60管道本構(gòu)關(guān)系圖Fig.1X60pipeconstitutivediagram

畋鷙艽�。臍んa艿?和土體接觸段的處理大致分為簡(jiǎn)單邊界、彈簧邊界、管-土接觸邊界。本文基于ABAQUS建立了海底管土相互作用模型，重點(diǎn)討論不同邊界條件及其組合狀態(tài)對(duì)管道環(huán)向裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律。管道在海底地形、海流沖刷及熱應(yīng)力等因素的影響下會(huì)產(chǎn)生不同的懸跨邊界[10]，簡(jiǎn)單邊界是管道與土體接觸最簡(jiǎn)單的一種處理方式，支架懸空端處理為簡(jiǎn)支端邊界，掩埋在土體中的部分處理為固支邊界，它將土體對(duì)管道的約束簡(jiǎn)化為兩端簡(jiǎn)支、兩端固支、一端簡(jiǎn)支和一端固支等約束邊界，部分邊界組合狀態(tài)如圖2所示。(a)彈簧-簡(jiǎn)支邊界(b)彈簧-固支邊界(spring-simplyboundary)(spring-clampedboundary)圖2不同邊界簡(jiǎn)化示意圖Fig.2Simplifiedschematicdiagramofdifferentboundaries2.4管道環(huán)向裂紋有限元模型應(yīng)力強(qiáng)度因子是衡量管道斷裂韌性的重要參數(shù)之一，往往裂紋的最大應(yīng)力強(qiáng)度因子不是發(fā)生在裂紋表面點(diǎn)就是發(fā)生在裂紋最深點(diǎn)。計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法較多，但針對(duì)薄壁管道應(yīng)力強(qiáng)度因子的計(jì)算方法較少，最有效的方法仍然為有限元法。因此，本文通過數(shù)值仿真提取環(huán)向裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子最大值對(duì)懸跨管道斷裂韌性進(jìn)行分析�？紤]管道接觸的非線性，管道內(nèi)壓、液體自重、水流載荷等因素，建立了懸跨管道含表面環(huán)向裂紋的有限元模型，由于管道、載荷和裂紋的對(duì)稱性，

1330應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)第36卷取模型的1/2進(jìn)行計(jì)算，在確保計(jì)算精度的同時(shí)提升運(yùn)算速度。如圖3所示，模型采用C3D8R單元模擬管道，對(duì)環(huán)向裂紋處的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，在裂紋尖端采用1/4節(jié)點(diǎn)奇異單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分消除該處應(yīng)力場(chǎng)存在的奇異性，圖3(a)為管道整體邊界條件載荷施加示意圖，圖3(b)為管道局部單元放大圖，圖3(c)為環(huán)向裂紋單元?jiǎng)澐质疽鈭D。(a)整體單元?jiǎng)澐?integralunitdivision)(b)局部單元放大(c)環(huán)向裂紋單元?jiǎng)澐?localunitamplification)(circumferentialcrackunitdivision)圖3懸跨管道環(huán)向裂紋有限元模型Fig.3Finiteelementmodelofthecircumferentialcrackofspanningpipe3管道極限懸空長度確定以共振為判定標(biāo)準(zhǔn)，海底管道的固有頻率f0與渦旋發(fā)放頻率fs之比f0/fs為0.7~1.3時(shí)均有可能發(fā)生共振[11]，f0與fs的表達(dá)式分別為2020.72iEIfLm(1)suSrfD(2)式中：μ為管跨兩端支撐情況的系數(shù)，簡(jiǎn)支時(shí)取μ=3.14；L為管道懸空長度；D為管道外徑；I為鋼管截面慣性矩，計(jì)算得出I=2.84×10-3m4；u為海流速度，取u=1m/s；Sr為Strouhal數(shù)，當(dāng)u=1m/s時(shí)，Sr=0.23；mi為管道單位長度有效質(zhì)量，計(jì)算得出mi=1484.1kg/m。以管道在海流沖刷時(shí)不發(fā)生渦激振動(dòng)為條件來確定管道極限懸跨長度，保守取發(fā)生共振時(shí)的頻率為f0=1.5fs，計(jì)算得到管道極限懸空長度為41.9m。取管道懸空長度為40m，建立管道環(huán)向表面裂紋缺陷的仿真模型。表面裂紋在懸跨管道的跨中位置，邊界條件為兩端簡(jiǎn)支，裂紋形狀尺寸取a/t=0.8，a/c=1.0，其中a

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]傳遞矩陣法分析約束懸臂裂紋管道失穩(wěn)臨界流速[J]. 包日東,梁峰.  應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào). 2016(06)
[2]帶有環(huán)向內(nèi)裂紋的薄壁鋼管結(jié)構(gòu)斷裂力學(xué)計(jì)算分析[J]. 白楊.  蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào). 2014(05)
[3]跨斷層水泥管試驗(yàn)的有限元分析[J]. 賈曉輝,劉愛文.  震災(zāi)防御技術(shù). 2014(02)
[4]海底管道泄漏事故統(tǒng)計(jì)分析[J]. 方娜,陳國明,朱紅衛(wèi),孟會(huì)行.  油氣儲(chǔ)運(yùn). 2014(01)
[5]考慮海底邊界影響的管道水動(dòng)力特性研究[J]. 周青,付世曉.  中國海洋平臺(tái). 2011(05)
[6]海底管道最大允許懸跨長度計(jì)算[J]. 陳博文,孫麗,谷凡.  防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào). 2010(S1)
[7]考慮邊界土體性質(zhì)懸跨管道振動(dòng)特性分析[J]. 胡家順,馮新,周晶.  大連理工大學(xué)學(xué)報(bào). 2010(03)
[8]X60管線鋼非穿透裂紋體的斷裂研究[J]. 董蕙茹,郭萬林,楊政,路民旭,趙新偉,羅金衡.  金屬學(xué)報(bào). 2001(06)

碩士論文
[1]海底管道懸跨段渦激振動(dòng)動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值模擬[D]. 婁敏.中國海洋大學(xué) 2005



本文編號(hào)：3442819