管土作用下海底悬跨管道裂纹断裂韧性研究
发布时间：2021-10-18 12:42
运用断裂力学相关理论,考虑管道接触的非线性、管道内压、水流载荷等因素的影响,基于ABAQUS有限元软件对含环向裂纹悬跨管道进行了分析,并考虑不同管土接触边界条件、不同土质及不同土体刚度对管道裂纹应力强度因子的影响,得出了相应的应力强度因子值。结果表明:以等效弹簧模拟管道和土体的接触更符合管道实际受力情况;土壤特性对悬跨管道环向裂纹应力强度因子有一定影响,较软土质应力强度因子大于较硬土质;管土接触边界对悬跨管道环向裂纹影响很大,不同接触边界的应力强度因子差值范围在25%～55%之间。
【文章来源】：应用力学学报. 2019,36(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
60管道本构关系图Fig.1X60pipeconstitutivediagram
畋鸷艽蟆Ｄ壳肮艿?和土体接触段的处理大致分为简单边界、弹簧边界、管-土接触边界。本文基于ABAQUS建立了海底管土相互作用模型，重点讨论不同边界条件及其组合状态对管道环向裂纹应力强度因子的影响规律。管道在海底地形、海流冲刷及热应力等因素的影响下会产生不同的悬跨边界[10]，简单边界是管道与土体接触最简单的一种处理方式，支架悬空端处理为简支端边界，掩埋在土体中的部分处理为固支边界，它将土体对管道的约束简化为两端简支、两端固支、一端简支和一端固支等约束边界，部分边界组合状态如图2所示。(a)弹簧-简支边界(b)弹簧-固支边界(spring-simplyboundary)(spring-clampedboundary)图2不同边界简化示意图Fig.2Simplifiedschematicdiagramofdifferentboundaries2.4管道环向裂纹有限元模型应力强度因子是衡量管道断裂韧性的重要参数之一，往往裂纹的最大应力强度因子不是发生在裂纹表面点就是发生在裂纹最深点。计算应力强度因子的方法较多，但针对薄壁管道应力强度因子的计算方法较少，最有效的方法仍然为有限元法。因此，本文通过数值仿真提取环向裂纹应力强度因子最大值对悬跨管道断裂韧性进行分析。考虑管道接触的非线性，管道内压、液体自重、水流载荷等因素，建立了悬跨管道含表面环向裂纹的有限元模型，由于管道、载荷和裂纹的对称性，
1330应用力学学报第36卷取模型的1/2进行计算，在确保计算精度的同时提升运算速度。如图3所示，模型采用C3D8R单元模拟管道，对环向裂纹处的网格进行局部加密，在裂纹尖端采用1/4节点奇异单元进行网格划分消除该处应力场存在的奇异性，图3(a)为管道整体边界条件载荷施加示意图，图3(b)为管道局部单元放大图，图3(c)为环向裂纹单元划分示意图。(a)整体单元划分(integralunitdivision)(b)局部单元放大(c)环向裂纹单元划分(localunitamplification)(circumferentialcrackunitdivision)图3悬跨管道环向裂纹有限元模型Fig.3Finiteelementmodelofthecircumferentialcrackofspanningpipe3管道极限悬空长度确定以共振为判定标准，海底管道的固有频率f0与涡旋发放频率fs之比f0/fs为0.7~1.3时均有可能发生共振[11]，f0与fs的表达式分别为2020.72iEIfLm(1)suSrfD(2)式中：μ为管跨两端支撑情况的系数，简支时取μ=3.14；L为管道悬空长度；D为管道外径；I为钢管截面惯性矩，计算得出I=2.84×10-3m4；u为海流速度，取u=1m/s；Sr为Strouhal数，当u=1m/s时，Sr=0.23；mi为管道单位长度有效质量，计算得出mi=1484.1kg/m。以管道在海流冲刷时不发生涡激振动为条件来确定管道极限悬跨长度，保守取发生共振时的频率为f0=1.5fs，计算得到管道极限悬空长度为41.9m。取管道悬空长度为40m，建立管道环向表面裂纹缺陷的仿真模型。表面裂纹在悬跨管道的跨中位置，边界条件为两端简支，裂纹形状尺寸取a/t=0.8，a/c=1.0，其中a
【参考文献】：
期刊论文
[1]传递矩阵法分析约束悬臂裂纹管道失稳临界流速[J]. 包日东,梁峰. 应用力学学报. 2016(06)
[2]带有环向内裂纹的薄壁钢管结构断裂力学计算分析[J]. 白杨. 兰州理工大学学报. 2014(05)
[3]跨断层水泥管试验的有限元分析[J]. 贾晓辉,刘爱文. 震灾防御技术. 2014(02)
[4]海底管道泄漏事故统计分析[J]. 方娜,陈国明,朱红卫,孟会行. 油气储运. 2014(01)
[5]考虑海底边界影响的管道水动力特性研究[J]. 周青,付世晓. 中国海洋平台. 2011(05)
[6]海底管道最大允许悬跨长度计算[J]. 陈博文,孙丽,谷凡. 防灾减灾工程学报. 2010(S1)
[7]考虑边界土体性质悬跨管道振动特性分析[J]. 胡家顺,冯新,周晶. 大连理工大学学报. 2010(03)
[8]X60管线钢非穿透裂纹体的断裂研究[J]. 董蕙茹,郭万林,杨政,路民旭,赵新伟,罗金衡. 金属学报. 2001(06)
硕士论文
[1]海底管道悬跨段涡激振动动力特性及动力响应的数值模拟[D]. 娄敏.中国海洋大学 2005
本文编号：3442819
【文章来源】：应用力学学报. 2019,36(06)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
60管道本构关系图Fig.1X60pipeconstitutivediagram
畋鸷艽蟆Ｄ壳肮艿?和土体接触段的处理大致分为简单边界、弹簧边界、管-土接触边界。本文基于ABAQUS建立了海底管土相互作用模型，重点讨论不同边界条件及其组合状态对管道环向裂纹应力强度因子的影响规律。管道在海底地形、海流冲刷及热应力等因素的影响下会产生不同的悬跨边界[10]，简单边界是管道与土体接触最简单的一种处理方式，支架悬空端处理为简支端边界，掩埋在土体中的部分处理为固支边界，它将土体对管道的约束简化为两端简支、两端固支、一端简支和一端固支等约束边界，部分边界组合状态如图2所示。(a)弹簧-简支边界(b)弹簧-固支边界(spring-simplyboundary)(spring-clampedboundary)图2不同边界简化示意图Fig.2Simplifiedschematicdiagramofdifferentboundaries2.4管道环向裂纹有限元模型应力强度因子是衡量管道断裂韧性的重要参数之一，往往裂纹的最大应力强度因子不是发生在裂纹表面点就是发生在裂纹最深点。计算应力强度因子的方法较多，但针对薄壁管道应力强度因子的计算方法较少，最有效的方法仍然为有限元法。因此，本文通过数值仿真提取环向裂纹应力强度因子最大值对悬跨管道断裂韧性进行分析。考虑管道接触的非线性，管道内压、液体自重、水流载荷等因素，建立了悬跨管道含表面环向裂纹的有限元模型，由于管道、载荷和裂纹的对称性，
1330应用力学学报第36卷取模型的1/2进行计算，在确保计算精度的同时提升运算速度。如图3所示，模型采用C3D8R单元模拟管道，对环向裂纹处的网格进行局部加密，在裂纹尖端采用1/4节点奇异单元进行网格划分消除该处应力场存在的奇异性，图3(a)为管道整体边界条件载荷施加示意图，图3(b)为管道局部单元放大图，图3(c)为环向裂纹单元划分示意图。(a)整体单元划分(integralunitdivision)(b)局部单元放大(c)环向裂纹单元划分(localunitamplification)(circumferentialcrackunitdivision)图3悬跨管道环向裂纹有限元模型Fig.3Finiteelementmodelofthecircumferentialcrackofspanningpipe3管道极限悬空长度确定以共振为判定标准，海底管道的固有频率f0与涡旋发放频率fs之比f0/fs为0.7~1.3时均有可能发生共振[11]，f0与fs的表达式分别为2020.72iEIfLm(1)suSrfD(2)式中：μ为管跨两端支撑情况的系数，简支时取μ=3.14；L为管道悬空长度；D为管道外径；I为钢管截面惯性矩，计算得出I=2.84×10-3m4；u为海流速度，取u=1m/s；Sr为Strouhal数，当u=1m/s时，Sr=0.23；mi为管道单位长度有效质量，计算得出mi=1484.1kg/m。以管道在海流冲刷时不发生涡激振动为条件来确定管道极限悬跨长度，保守取发生共振时的频率为f0=1.5fs，计算得到管道极限悬空长度为41.9m。取管道悬空长度为40m，建立管道环向表面裂纹缺陷的仿真模型。表面裂纹在悬跨管道的跨中位置，边界条件为两端简支，裂纹形状尺寸取a/t=0.8，a/c=1.0，其中a
【参考文献】：
期刊论文
[1]传递矩阵法分析约束悬臂裂纹管道失稳临界流速[J]. 包日东,梁峰. 应用力学学报. 2016(06)
[2]带有环向内裂纹的薄壁钢管结构断裂力学计算分析[J]. 白杨. 兰州理工大学学报. 2014(05)
[3]跨断层水泥管试验的有限元分析[J]. 贾晓辉,刘爱文. 震灾防御技术. 2014(02)
[4]海底管道泄漏事故统计分析[J]. 方娜,陈国明,朱红卫,孟会行. 油气储运. 2014(01)
[5]考虑海底边界影响的管道水动力特性研究[J]. 周青,付世晓. 中国海洋平台. 2011(05)
[6]海底管道最大允许悬跨长度计算[J]. 陈博文,孙丽,谷凡. 防灾减灾工程学报. 2010(S1)
[7]考虑边界土体性质悬跨管道振动特性分析[J]. 胡家顺,冯新,周晶. 大连理工大学学报. 2010(03)
[8]X60管线钢非穿透裂纹体的断裂研究[J]. 董蕙茹,郭万林,杨政,路民旭,赵新伟,罗金衡. 金属学报. 2001(06)
硕士论文
[1]海底管道悬跨段涡激振动动力特性及动力响应的数值模拟[D]. 娄敏.中国海洋大学 2005
本文编号：3442819
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