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挖掘荷载作用下埋地输气管道动力响应的数值模拟研究

作　者: 王岩
导　师: 姚安林
学　校: 西南石油大学
专　业: 结构工程
关键词: 埋地输气管道挖掘荷载数值模拟动力响应极限荷载
分类号: TE832
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 79次
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内容摘要

我国油气管道距今已有近50年的历史,而管道的设计寿命一般在30年左右,故我国许多埋地输气管道已进入事故多发期。这些事故中由于大型机械施工造成的管道挖坏事故屡见不鲜。管道在挖掘荷载作用下的破坏机理复杂且不可预测,因此有必要研究挖掘荷载作用下埋地输气管道的动力响应并确定其极限荷载,从而对这类事故做出客观正确的评价,并采取积极的措施以保障管道的安全运行。本文采用ANSYS/LS-DYNA非线性动力有限元软件,对承受以挖掘荷载作用为代表的人为机具破坏作用的埋地输气管道进行了有限元三维建模,并对其进行了动力响应分析和极限荷载的确定,取得了一些成果：(1)挖掘荷载作用下埋地输气管道动力响应问题的研究实质上就是挖掘荷载—埋地管道—土体组成的体系在挖掘荷载作用下的整体动力响应。(2)挖掘荷载作用下土体的变形特性复杂,受到多种因素影响。本文采用的是Drucker-Prager土体材料模型,它可以比较准确的描述岩土材料在动荷载作用下的变形和屈服特性。(3)在考虑各种边界条件和动力接触的基础上,运用有限元的基本理论和计算方法建立起挖掘荷载作用下埋地输气管道的有限元模型。(4)运用ANSYS/LS-DYNA动力有限元对挖掘荷载作用下埋地输气管道的动力响应进行分析,得出结论,埋地输气管道承受挖掘荷载作用的过程是一个瞬态受力过程,挖掘荷载直接作用的位置是整个管道上最易发生破坏的地方。(5)挖掘荷载作用下影响埋地输气管道动力响应的因素很多,本文分别从挖掘荷载未直接作用和直接作用在输气管道上两方面进行分析研究,考虑不同的参数变化,得出结论：挖掘荷载大小是影响埋地输气管道动力响应的最主要因素,管道参数和输气参数是影响埋地输气管道动力响应的次要因素,土体参数对埋地输气管道动力响应的影响不大。(6)利用模型计算结果作出荷载-应变曲线,然后利用工程中常用的确定极限荷载的准则确定管道的极限荷载,并对极限荷载作用下埋地输气管道的动力响应进行分析。计算结果表明,单齿作用下的极限荷载远远小于在五齿作用下的极限荷载,究其原因,单齿作用时会引起应力集中现象,因而埋地输气管道更易发生破坏。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-13
  1.1 研究的目的意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-12
    1.2.1 土与结构相互作用研究现状  10-11
    1.2.2 管道受力方面研究现状  11-12
  1.3 本文的研究内容  12
  1.4 本文的研究方法  12-13
第2章液压挖掘机的性状研究  13-16
  2.1 液压挖掘机  13-14
    2.1.1 液压挖掘机工作循环过程  13
    2.1.2 单斗反铲液压挖掘机  13-14
  2.2 液压单斗挖掘机挖掘力计算  14-15
    2.2.1 液压冲击引起的瞬息力  14
    2.2.2 铲斗惯性力  14-15
  2.3 本章小结  15-16
第3章 ANSYS/LS-DYNA程序及算法简介  16-22
  3.1 ANSYS/LS-DYNA简介  16
  3.2 LS-DYNA算法基础  16-19
    3.2.1 基本方程和控制条件  16-17
    3.2.2 时间步长的控制  17-18
    3.2.3 单点高斯积分及沙漏控制  18-19
    3.2.4 无反射边界条件  19
  3.3 接触碰撞算法  19
  3.4 接触类型  19-21
    3.4.1 单面接触  19-20
    3.4.2 点-面接触  20
    3.4.3 面面接触  20-21
  3.5 LS-DYNA求解步骤  21
  3.6 本章小结  21-22
第4章挖掘作用下埋地输气管道分析模型  22-39
  4.1 材料模型  22-23
    4.1.1 土体材料参数  22
    4.1.2 管道材料参数  22-23
    4.1.3 挖掘荷载参数  23
  4.2 埋地输气管道计算模型  23-26
    4.2.1 几何模型  23-24
    4.2.2 单元类型的选取及验证  24-26
    4.2.3 有限元模型的建立  26
  4.3 管道输气压力作用验证  26-27
  4.4 计算结果分析  27-37
    4.4.1 应力分析  28-34
    4.4.2 应变分析  34-37
  4.5 本章小结  37-39
第5章挖掘荷载作用下埋地输气管道力学性状分析  39-52
  5.1 荷载未直接作用到管道上的动力响应分析  39-44
    5.1.1 土体参数的影响  39-43
    5.1.2 不同挖掘距离的影响  43
    5.1.3 不同的挖掘深度的影响  43-44
  5.2 荷载直接作用到管道上的动力响应分析  44-50
    5.2.1 管道参数变化对埋地输气管道的动力响应影响  45-47
    5.2.2 挖掘参数的影响  47-49
    5.2.3 输气压力的影响  49-50
  5.3 本章小结  50-52
第6章埋地输气管道极限荷载分析  52-61
  6.1 极限分析的基本理论  52
  6.2 极限分析的概念  52-53
  6.3 确定极限荷载的方法  53-54
    6.3.1 塑性极限定理  53
    6.3.2 弹塑性有限元法  53-54
    6.3.3 实验检测法  54
  6.4 极限荷载的准则  54-55
  6.5 挖掘荷载作用下埋地输气管道极限荷载确定  55-60
    6.5.1 单齿作用下管道极限荷载分析  56-58
    6.5.2 五齿作用下管道极限荷载分析  58-60
  6.6 本章小结  60-61
第7章结论与建议  61-63
  7.1 本文主要结论  61-62
  7.2 展望和建议  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-68
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  68

挖掘荷载作用下埋地输气管道动力响应的数值模拟研究

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