基于管道爆炸数值模拟的架空天然气管道并行间距研究

从天然气管道失效泄漏引发爆炸现象出发,通过理论分析建立架空管道泄露模型,应用Matlab计算出管道泄露总量中参与爆炸的体积,通过TNT当量法将体积值转化为管道爆炸模型的初始当量。利用Autodyn软件建立管道爆炸物理模型,计算不同并行间距下管道受并行管线爆炸冲击超压及变形量。依据管道椭圆应变准则评定不同并行间距下管道受冲击变形风险。结果表明:架空管线受并行天然气管线爆炸冲击产生的变形破坏为超压破坏和冲量破坏两种形式。架空管道大变形位置为正对爆炸源最近点和背对爆炸源最远点。架空天然气管道安全并行间距:一级和二级风险距离分别为0~2和2~5 m,三级风险距离为5 m以上。将数值模拟结果与理论计算结果对比,验证了该数值计算方法的可行性。     

断层上覆土层破裂对埋地管道的影响

利用ANSYS程序建立的三维管土非线性有限元模型,计算分析了断层基岩上覆土层的变形破裂形式、土层厚度及土层土质的硬度对埋地管道的影响.结果表明,埋地管线发生大变形及失效的位置由上覆土层的破裂形式决定,穿越土层发生塑性变形及破裂区域的管段是管道发生塑性变形的管段.当断层倾角发生接近于90°的错动时,随上覆土层破裂的发展,埋地管道产生两处塑性变形区段.上覆土层越厚,埋地管道发生塑性变形的长度越长,变形值减小.埋在土质较硬土层中的管道发生塑性变形的管段长度短,极限应变值大.     

埋地钢管在逆断层作用下失效模式研究

穿越逆断层的埋地管道在断层错动过程中呈现的失效样式复杂多样,根据逆断层错动管道受力特征分为压缩屈曲失效、Euler梁失稳失效两种失效模式,但对两种失效出现的工况认知不足.在管道抗震计算中通常借用管道在走滑断层错动时的反应分析方法来估算管道在逆断层中的变形状况,避免梁式失稳靠满足一定的埋深来保障.本研究利用ANSYS通用有限元程序建立了钢制埋地管道地震反应的有限元模型,以分析逆断层作用下管道的失效模式.该模型适合分析逆断层倾角≤80°的情况.计算结果显示:逆断层倾角≤45°,管道发生屈曲失效,管道失效部位在管道与断层破裂线相交处.倾角在50—70°之间,管道存在两种失效可能:当断层垂直位错量在0.7—1.0m之间时,管道出现失稳失效;当位错量大,错动速度快时,管道在与断层破裂线相交处发生屈曲失效.倾角在75—80°之间,管道屈曲失效和失稳失效可能相伴发生,屈曲失效部位出现在两处:(1)管道在与断层破裂线相交处失效;(2)失稳隆起处发生弯折.     

埋地输气管道腐蚀故障树模糊分析

腐蚀是引起埋地输气管道泄漏和破裂的主要因素。对引起埋地输气管道腐蚀失效的各个因素进行系统分析,建立以埋地输气管道腐蚀失效为顶事件的埋地输气管道腐蚀失效故障树,结合管道腐蚀破坏机理和故障树模糊分析原理,分析导致管道腐蚀产生的因素,得到模糊故障树的各阶最小割集和引起埋地输气管道发生腐蚀失效的主要因素。通过算例分析表明该方法具有较大的灵活性和适应性,更加符合工程实际,是对传统故障树分析方法的进一步完善。     

埋地输气管道腐蚀故障树模糊分析

腐蚀是引起埋地输气管道泄漏和破裂的主要因素。对引起埋地输气管道腐蚀失效的各个因素进行系统分析,建立以埋地输气管道腐蚀失效为顶事件的埋地输气管道腐蚀失效故障树,结合管道腐蚀破坏机理和故障树模糊分析原理,分析导致管道腐蚀产生的因素,得到模糊故障树的各阶最小割集和引起埋地输气管道发生腐蚀失效的主要因素。通过算例分析表明该方法具有较大的灵活性和适应性,更加符合工程实际,是对传统故障树分析方法的进一步完善。     

穿越正断层埋地管线的破坏模式分析

在正断层引起的地面永久性大变形作用下,埋地管线可能会发生拉伸、剪切等形式的强度破坏,亦可能在局部受压区发生屈曲破坏。利用ABAQUS 有限元分析软件,建立穿越正断层埋地管线的空间有限元分析模型,采用非线性接触分析方法模拟正断层引起的地表永久性大变形作用下管线—土体间的相互作用,分析了不同管径、跨越角对管线破坏模式的影响。依据算例分析可知：小口径埋地管线易发生拉伸强度破坏,大口径薄壁管线易发生屈曲失效,口径0．65 m 是管线从发生强度破坏到发生屈曲破坏的临界值;当跨越角大于90°时,角度越大越易发生屈曲失效,跨越角为100°是埋地管线发生强度破坏与屈曲失效的分界点。     

瓦斯爆炸对地下巷道破坏效应的 数值模拟分析

为了研究瓦斯爆炸对地下巷道壁面结构的冲击作用规律以及瓦斯爆炸与巷道壁面耦合效应,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立管道物理模型,数值模拟了耦合和解耦合条件下管道内瓦斯爆炸压力变化、压力等值线分布、能量变化及管道等效应力的变化情况.模拟结果表明:(1)耦合效应下对爆炸流场内部的冲击超压大小的影响基本上可以忽略;(2)解耦合条件下,管道的应力等压线分布呈现较规则同心环,而耦合条件下,在整个传播过程管道内等压线分布处于紊乱状态,可知在耦合效应下瓦斯爆炸流场在巷道中会变得更加复杂;(3)等效应力分布导致管道多次轻微变形,但第1次变形破坏最为有效,可知瓦斯爆炸时应力波是随着时间的推移逐渐减少.研究结果能够对地下巷道的设计提供一定的理论指导,对减小瓦斯爆炸的损失也具有重要的现实意义.     

埋地柔性管道荷载响应及其加筋防护性能

为了解决城市埋地管道频繁受外部荷载作用而损害的问题,提出在采用新型土工合成材料加筋防护埋地柔性管道的基础上,借助室内模型试验开展静载和循环荷载作用下埋地柔性管道的力学响应与变形特性研究,确定对管土体系产生较大破坏作用的荷载类型,并提出格栅加筋防护埋地管道的适用荷载水平范围,进而定量和定性地分析首层筋材埋深、筋材长度、筋材层间距和层数对土工格栅加筋防护埋地管道效果的影响,并确定合理的筋材铺设参数。研究结果表明:相比于同水平静载,循环荷载将会造成更大的土层沉降,但低水平循环荷载对埋地管道的影响较小,而高水平循环荷载会对管道产生更大的破坏作用;当采用单层格栅加筋防护时,对管道上方土体和管道最终变形量的控制作用不明显,当循环荷载水平在0～300 kPa范围时,筋材埋深为0.4B(B为加载板宽度)和筋材长度为5D(D为管道外径)时,单层加筋防护效果最优;针对管道埋深H=3D,选取筋材长度为5D和首层筋材埋深为0.4B的多层筋材防护,当筋材层间距0.5B和筋材层数N为3层时效果最优,加筋不仅能显著减缓土层沉降与管道变形,同时还能有效地控制最终的变形量,并能明显降低管周土压力,使加筋防护达到理想的效果。该成果可为长期处于类似交通荷载等复杂荷载作用下埋地管道的设计和防护提供理论支撑。     

砂土中直埋穿管光缆爆炸破坏效应研究

研究直埋穿管光缆的爆炸毁伤机理和易损性,针对直径60 mm钢管内穿GYTA33型铠装光缆,设计并开展了55 kg柱状TNT裸药砂土中近距离爆炸破坏原型试验. 试验结果表明,比例爆距为0.316 m/kg时,该型穿管光缆在钢管出现明显弯曲及压缩变形时通信功能完好,比例爆距0.263 m/kg时通信出现中断,该型穿管光缆在砂土中的临界破坏比例爆距在0.263～0.316 m/kg之间;围绕试验结果开展了数值计算,分析了穿管光缆破坏过程机理. 研究表明,近距离爆炸荷载下,钢管会发生局部弯曲和径向压缩变形,钢管变形初期产生严重压缩变形破坏时对管内光缆的高速冲压作用是其破坏的主要原因.      

埋地管道静载试验水平边界约束影响的数值分析

基于模型试验结果,通过有限元数值模拟软件研究静载作用下模型尺寸对埋地管道力学性能与形变性能的影响.数值分析结果表明:模型箱水平边界在距管壁20D以内变化时,随着模型尺寸逐渐增大,土体极限承载力不断增加,并且相同荷载水平下加载板沉降与管道径向变形比也随之变大,而管周土压力、管周径向和环向应力均随之减小,边界对管道的约束作用逐渐减弱;模型尺寸不同时,管道径向变形比在加载过程中的变化规律差异明显;地表静载作用下,管道以环向受压为主,并且由于管顶产生土拱效应,管周土压力中管侧处最大,管顶处次之,管底处最小;当模型箱外壁水平向扩展超出20D时,管道上方土体承载力、管道受力和形变规律基本一致.表明为减少或消除水平边界效应,模型箱外壁水平向扩展边界选20D为宜.     

崩滑岩体对埋地管线横向冲击作用的数值模拟

采用离散元软件3DEC对高速下落岩体冲击地面、引起埋地管道动力响应的过程进行数值模拟,考察影响管道表面土压力和管道变形的主要因素.结果表明:冲击荷载作用下管道表面土压力分布非常不均匀,靠近管道顶部的区域是主要影响区,冲击作用面积是主要影响区范围的决定性因素;落体质量和冲击速度是影响管道表面最大土压力的主要因素,落体对管道表面土压力沿纵向的影响范围大致为冲击作用半径的2倍;落体速度相同时,落体质量对管道变形的影响比冲击作用面积更显著;增大管道埋深可以减小管道的冲击变形量;与采用较硬的黏土作为管沟填充料相比,无黏性砂填充时冲击荷载更容易引起管道发生较大变形.     

径向载荷作用下的管道塑性失效力学模型与实验分析

针对野外埋地敷设的输油管道发生断裂、泄漏等较大破坏时,使用管道挤压截流装置,将管道快速压扁以阻断流油的问题,运用塑性变形理论和虚功原理,建立了一个受均匀径向载荷作用下的管道挤压变形模型,并且对管道塑性变形进行了分析计算,得到了管道挤压所需的载荷量。并使用18 mm宽度的刀口对325 mm×6 mm的X60钢管进行挤压实验,得到了管道挤压的载荷位移曲线。将得到的实验数据与理论数据进行对比和验证,理论数据与实验数据结果吻合。该模型可用于计算不同规格管道挤压所需的载荷量,为管道抢修工作提供理论和实践参考。     

不均匀沉降时埋地输气管道应力及许可沉降值研究

以埋地输气管道为研究对象,利用采空区不均匀沉降时埋地管道变形解析表达式对管道的Mises应力进行了研究,并确定了在不同跨度下输气管道的许可沉降量。研究表明:(1)在采空区,当地基发生不均匀沉降时,埋地管道所承受的Mises应力主要是由管道弯曲变形引起;(2)当跨度(即相邻两个极值点之间的水平距离)为25 m、50 m、250 m时,管道的许可相对沉降值分别为0.505 m、1.126 m、5.348 m.     

爆炸冲击下煤矿救生舱抗爆能力有限元分析

目前对救生舱的结构安全性能爆炸测试还较困难,借助有限元分析方法可以降低爆炸冲击实验成本并达到结构安全性分析的目的.基于弹塑性有限元理论和LS-DYNA软件对不同爆炸冲击条件下某型号救生舱结构的变形和应力分布进行了有限元分析.分析结果表明:相同冲击载荷条件下侧面比正面受的变形和应力大;加强筋和外层钢板的等效应力较大,容易产生失效.当冲击载荷为1.5MPa时,舱体整体基本处于弹性变形状态;当冲击载荷为2.0MPa时,侧面的最大等效应力约为283MPa,此时加强筋将发生微小的塑性变形,但等效应力远小于抗拉强度.     

爆炸冲击波对大型复杂舰船结构毁伤效应数值模拟研究

采用有限元软件针对大型复杂舰船在战略武器大当量爆炸冲击波作用下的毁伤效应进行数值模拟研究.建立某航母结构1∶1有限元模型,采用CONWEP方法施加爆炸载荷,研究舰船的动态响应特征,主要分析爆炸当量、冲击波强度等因素对舰船毁伤模式和甲板变形破坏等级的影响.研究结果表明,随着爆炸冲击波传播距离增加,其强度沿飞行甲板表面以指数形式衰减,沿不同层甲板则呈现近似线性衰减特征.随着爆炸当量和冲击波强度的增加,舰船甲板变形破坏等级逐渐增加,舰船毁伤模式由局部塑性变形毁伤逐渐转变为总纵强度毁伤模式,接触爆炸时还会发生结构破损总纵剩余强度毁伤.在小当量爆炸且冲击波强度超过1.0 MPa时,飞行甲板、吊舱甲板和机库甲板会随着冲击波超压强度的增加而逐渐失效;在中等当量且冲击波超压强度超过0.2 MPa时,飞行甲板、吊舱甲板在爆炸后基本失效,机库甲板的功能将受到严重影响;在大当量爆炸且冲击波超压强度达到0.2 MPa时,三层甲板均发生局部区域完全失效.相关研究方法有助于大型复杂舰船结构在大当量爆炸冲击波作用下的毁伤效应评估.     

爆炸地冲击扰动诱发含结构面围岩破坏模拟试验

为研究远区爆炸作用产生的地冲击扰动对深埋洞室破坏的影响机制,采用地冲击效应模拟试验装置开展了相似模拟试验研究。采用边长为1.3 m的立方体试件,实现了从地应力加载（1 000 m埋深）、洞室开挖到爆炸地冲击扰动加载全过程的模拟。试验过程中,将各类传感器放置在试件和洞室内部,监测试验过程中的应力、应变、位移变化,以及洞室内部的破坏情况。通过在试件顶部施加不同峰值的冲击扰动荷载,再现了碎屑崩出、裂隙连通导致块体崩出、块体滑移和断层激活等破坏现象,初步得到了深埋洞室的安全阈值。分析得到了含裂隙围岩、块系围岩和含断层围岩在不同地冲击扰动作用下的破坏机制。试验结果表明,较小的动力扰动即可诱发深埋洞室的破坏,并且随冲击扰动次数的增加和冲击荷载峰值的增大,洞室破坏程度会加剧;此外,在爆炸远区,地冲击扰动仍可诱发工程灾害。     

埋地输气管道爆炸驱动的路面动力响应分析

为探究埋地输气管道爆炸驱动下的路面动力响应规律,利用ANSYS软件模拟仿真天然气管道爆炸过程,通过改变管道埋深、壁厚、敷设夹角三个主要因素得到道路不同点处超压峰值,与安全评定准则相对比得出人和物安全指数。研究结果表明：管道埋深对道路超压峰值影响显著,在单一变量改变下,道路超压峰值随着埋深增加而减小,埋深超过5m时,爆炸冲击波不足以破坏路面且对人和建筑物造成影响;管道壁厚改变时道路超压峰值呈现“增加-减少”趋势,壁厚为15mm时,超压峰值达到顶峰,当壁厚达到20mm后,爆炸冲击波不足以对人和物形成伤害;管道敷设夹角改变时道路超压峰值呈现“减小”的趋势,管道爆炸点正上方处无安全敷设角度,当敷设角度为60°时,道路其余位置均处于安全范围。     

冲击荷载作用下埋地长输管道受力性能分析

为研究冲击荷载作用下埋地长输管道的受力性能,制作一个土箱—管道缩尺模型,进行落锤冲击试验,并建立落锤冲击埋地管道的有限元计算模型,对管道动态响应过程进行数值模拟。主要分析了管道壁厚、管径、埋深和冲击能量等参数对管道受力性能的影响,探讨埋地长输管道在冲击荷载作用下的整体变形特点和应变分布规律。研究结果表明:在冲击荷载作用下,冲击能量增加,管道跨中表面的应变峰值增大;相同工况下大管径和薄壁管道应变值大,管道覆土越深,管道应变峰值越小,土体的缓冲作用削弱了管道受到的冲击作用;通过有限元模拟结果与试验结果对比分析,两者一致性较好,故在实际工况下可用有限元模拟落石对埋地管道的冲击作用。     

岩石坍塌作用下埋地集输管道应力变化规律

基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,建立了岩土坍塌作用下埋地集输管道分析模型,研究了岩石坍塌作用下不同因素对埋地集输管道应力影响规律.结果表明:冲击载荷随石块边长的增加呈指数形式上升,正方体边长改变1.4 m时,冲击载荷可改变22.4 MPa.运行压力、温度、管道铺设坡度对管道壁面应力影响较小,而冲击载荷、腐蚀是埋地集输管道安全的主要影响因素.当冲击载荷大于10.5 MPa时,管道进入塑性变形区.岩石坍塌冲击载荷较大时,管道壁面最大等效应力随着管道径厚比的增加而减少.当径厚比改变了3.8,管道壁面最大等效应力可减小44 MPa;当岩石坍塌冲击载荷较小时,管道壁面最大等效应力出现极小值点.     

地下爆炸对埋地输气管道冲击响应的数值分析

通过适当选取材料本构关系,运用非线性动力学基本理论和ALE算法,利用LSDYNA3D有限元程序,对爆炸地冲击作用下引起埋地输气管道的动力响应问题进行了数值模拟分析。通过埋地管道在2组共10个工况下的数值计算分析,拟合了埋地管道响应(包括速度和动应力)最大值和装药量、爆心与管道中心距离之间的关系。模拟计算结果与经验公式规律十分吻合,表明采用数值模拟方法研究爆炸地冲击对埋地管道的作用是可行的。计算方法为埋地管道在第三方破坏荷载作用下的风险评估提供了一个计算平台,计算结果对埋地输气管道的风险评估和防灾减灾具有重要的参考价值。