地面沉降作用下埋地聚乙烯管道力学特性及损伤研究

论文摘要

随着“西气东输”工程、“川气东送”工程的建设运营以及中国逐步从中亚、俄罗斯、缅甸等国家和地区引入管输天然气,越来越多的城镇敷设了燃气管道,城镇居民的天然气使用量也与日俱增。由于聚乙烯及其复合管道具有很好的抗腐蚀性、焊接性能优异、柔韧性高、经济又环保、使用寿命长、运行过程耗能低和维修便捷等优势,被广泛用做城镇燃气的输送管道。另外,我国幅员辽阔,西部山区多地震等自然灾害,东部平原地区地下水采集严重,因地震等自然灾害或地下水过度采集等人为因素造成地面沉降现象多发,不可避免地会对城镇燃气聚乙烯管道造成影响,甚至导致管道破坏。而聚乙烯管道常用于城镇中低压燃气的输送,所穿越地区人口密集,一旦发生破裂失效,造成燃气泄漏,极易造成火灾、爆炸等严重后果,将给周围环境和居民生命财产安全带来极大危害。因此,有必要就地面沉降作用对埋地聚乙烯管道的影响进行研究,这对保证城镇燃气管道的安全运行与城镇居民的生命财产安全具有重要意义。研究结果还可以为城镇燃气管网安全评价与损伤可量化评价体系的形成提供一定的理论基础。本文对地面沉降作用下的埋地聚乙烯(PE)管道进行了研究,主要研究内容如下:(1)考虑材料的率相关性,进行不同拉伸速率下聚乙烯材料的单轴拉伸试验,获得其本构模型。进行含裂纹缺陷试样拉伸试验,并采用扩展有限元法,对拉伸过程进行模拟,获得相关断裂参数。(2)建立地面沉降作用下埋地聚乙烯管道有限元模型,分析管道在沉降位移荷载下的受力变形特性。研究管道在不同参数作用下的力学响应,获得不同参数与管道最大Von Mises应力的量化关系,得到参数对结果的影响程度排序。以相对变形率和最小曲率半径来表征管道变形情况。以屈服强度为失效判据,分析地面沉降作用下管道的极限承载能力以及其随参数的变化规律。(3)建立含划痕聚乙烯管道有限元模型,研究划痕缺陷对管道受力特性的影响。考虑不同参数下管道最大Von Mises应力变化情况,得到它们之间的量化关系以及参数影响程度排序,并分析沉降作用下含划痕管道的极限承载能力变化规律。(4)根据含裂纹拉伸试验模拟结果,建立地面沉降作用下含裂纹埋地聚乙烯管道有限元模型,分析地面沉降作用对含裂纹聚乙烯管道裂纹行为的影响,并得到不同参数下管道断裂特性与极限承载能力的变化规律。(5)以地面沉降作用下埋地聚乙烯管道有限元模型为基础,当管道处于极限承载状态时,将此刻管道内压视为其爆破压力,计算不同参数下聚乙烯管道的爆破压力。采用统一理论损伤模型,建立基于爆破压力的地面沉降作用下埋地聚乙烯管道的损伤模型,并对不同参数变化下聚乙烯管道的损伤进行分析。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 复杂荷载作用下埋地管道研究现状

1.2.1 地层错动

1.2.2 滑坡

1.2.3 地面沉降

1.3 城镇聚乙烯管道研究现状

1.3.1 管道强度

1.3.2 管道损伤老化

1.4 有限元计算方法研究现状

1.4.1 弹塑性力学方法

1.4.2 断裂力学方法

1.5 现有问题与不足

1.6 主要研究内容与技术路线

第2章埋地管道力学分析理论

2.1 地面沉降作用下管道受力

2.1.1 管道内压

2.1.2 土体压力

2.1.3 复杂荷载

2.2 管-土相互作用模型

2.2.1 弹性地基梁模型

2.2.2 土弹簧模型

2.2.3 非线性接触模型

2.4 有限元模拟裂纹的方法

2.5 常见有限元软件

2.6 小结

第3章聚乙烯管材力学试验

3.1 无缺陷试样拉伸试验与过程模拟

3.1.1 试样制作

3.1.2 试验安排

3.1.3 试验结果

3.1.4 材料本构模型

3.1.5 拉伸过程模拟

3.2 含裂纹PE试样拉伸试验与过程模拟

3.2.1 试样制作

3.2.2 试验安排

3.2.3 试验结果

3.2.4 拉伸过程模拟

3.3 失效准则

3.4 小结

第4章地面沉降作用下无缺陷PE管道的力学响应

4.1 管土模型建立

4.1.1 条件假设

4.1.2 材料参数

4.1.3 建模过程

4.2 模型验证与模型比较

4.2.1 模型网格精度

4.2.2 土体模型以及分析步

4.2.3 半模型与全模型

4.3 管道的受力变形分析

4.4 参数对力学响应的影响分析

4.4.1 管径与标准尺寸比

4.4.2 管道内压

4.4.3 应变率

4.4.4 过渡段长度

4.5 最大Von Mises应力多元回归分析

4.6 极限承载能力分析

4.7 小结

第5章地面沉降作用下含划痕PE管道的力学响应

5.1 管土模型建立

5.1.1 缺陷尺寸

5.1.2 建模过程

5.2 含缺陷管道模拟结果分析

5.2.1 最大Von Mises应力

5.2.2 缺陷对最值位置影响

5.3 最大Von Mises应力多元回归分析

5.4 极限承载能力分析

5.5 小结

第6章地面沉降作用下含裂纹PE管道的断裂特性

6.2 管土模型建立

6.2.1 条件假设

6.2.2 材料参数

6.2.3 建模过程

6.3 模型验证

6.4 PE管道裂纹行为分析

6.5 参数对裂纹行为的影响分析

6.5.1 初始裂纹参数

6.5.2 管道内压

6.5.3 过渡段长度

6.6 小结

第7章地面沉降作用下PE管道的静态损伤

7.1 静态损伤模型建立

7.2 管道爆破压力计算

7.2.1 无缺陷管道的爆破压力

7.2.2 含划痕管道的爆破压力

7.3 PE管道损伤分析

7.3.1 无缺陷PE管道

7.3.2 含划痕PE管道

7.4 小结

第8章结论与展望

8.1 主要结论

8.2 创新点

8.3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 查四喜

导师: 伍颖

关键词: 聚乙烯管道,地面沉降,有限元分析,扩展有限元法,损伤

来源: 西南石油大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备,建筑科学与工程

单位: 西南石油大学

分类号: P642.26;TU996.7

DOI: 10.27420/d.cnki.gxsyc.2019.000718

总页数: 123

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