管道受坠物冲击载荷作用的数值模拟基本方法

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洪水冲击管道的模拟分析

ＳｍｕａｉｎａｄＡｎｌｓｓｏｍｐｃｅｉｅｉｌｔｎａｙｉｆＩａｔｄＰｐｏ
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、
０引言
速度采用二维定常流动模型。
１２划分网格．
在大型穿越管道的实际问题中，水的流动速度洪
和管道的裸露程度并不是一定的，特别是对不同裸露
程度管道的试验测试，难度较大，因为试验中，管道周围的土壤可能随洪水一起流走，这样管道裸露程度就发生了变化，出的数据就容易产生较大的误差。文测
中以此为重点，大型穿越管道建模模拟。对模拟所采用的是管径为４６ｍＴ单位长度的管２ｌｌ
数值计算就是用离散的网格来代替原物理问题
中的连续空间，网格中的节点则是所求解物理量的几何位置。从网格的构造来说，以分为结构化、结可块构化和非结构化３种。整个网格任一节点的位置可以

崩塌落石冲击荷载作用下埋地管道的安全评价_熊健

ＳａｆｅｔＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｎｔｈｅＲｅｓｏｎｓｅｏｆＢｕｒｉｅｄＰｉｅｌｉｎｅＣａｕｓｅｄｙｐｐＲｏｃｋｆａｌｌＩｍａｃｔＬｏａｄｂｐｙ
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隧道逃生管道的冲击实验与仿真模拟

隧道逃生管道的冲击实验与仿真模拟张瑜;丁庆荣;狄先均;李强;谭飞【摘要】针对隧道施工中的塌方事故,进行了隧道逃生管道的系统设计.首先进行了圆管承受横向冲击荷载的现场实验,研究了冲击能量与变形模态、凹陷变形之间的关系.其次采用ANSYS LS-DYNA进行了仿真模拟,给出了凹陷变形的时程曲线,获得了与现场实验较一致的结果.实验研究与数值模拟结果表明,砂垫平铺圆管的横向冲击变形主要为冲击点局部凹陷,结构的整体弯曲变形可以忽略.同时,根据岩块大小和下落高度,可以通过计算凹陷变形而确定圆管厚度,为逃生管道的安全设计提供依据.【期刊名称】《土木工程与管理学报》【年(卷),期】2010(027)002【总页数】4页(P87-89,94)【关键词】隧道塌方;逃生管道;横向冲击;实验;仿真【作者】张瑜;丁庆荣;狄先均;李强;谭飞【作者单位】华中科技大学土木工程与力学学院,湖北,武汉,430074;鸦来公路北风垭隧道工程建设指挥部,湖北,五峰,443400;鸦来公路北风垭隧道工程建设指挥部,湖北,五峰,443400;鸦来公路北风垭隧道工程建设指挥部,湖北,五峰,443400;华中科技大学土木工程与力学学院,湖北,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】U453近年来，全国隧道施工先后发生多起特大人员伤亡事故。

在这些重大事故当中，数隧道塌方最为突出。

据不完全统计，全国平均每年发生数十起隧道塌方事故，这些事故给隧道施工造成不同程度的财产与人员伤亡损失。

尽管理论上隧道施工塌方可以避免，但实际施工时存在多方面原因而出现塌方，如地质条件的突变、设计措施偏弱、施工不当等[1～4]。

因此，如何减少隧道塌方后的损失，特别是避免人员伤亡，是当前隧道施工领域面临的重大问题，而沿隧道纵向设计平铺大直径金属薄壁圆管作为施工人员的逃生通道成为上述问题的有效解决方法[5]。

在逃生管道设计中，管材选用方案主要有钢筋混凝土管和钢管。

其中钢筋混凝土管价格便宜，但管壁较厚，搬运不便。

轴向冲击下薄壁圆管峰值载荷的计算与数值模拟

基金项目：国家质量监督检验检疫总局科技计划项目（２０１７ＱＫ０９７）；福建工程学院科研启动基金（ＧＹＺ１６００４６）。作者简介：杜金裕（１９９４），硕士研究生，从事计量仪器缓冲减振的研究。通讯作者：杨晓翔（１９６３），教授，从事计算固体力学、金属塑性成形的研究，ｙａｎｇｘｘ＠ｆｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
薄壁圆管压溃载荷相对平稳，常用于车辆缓冲、矿用吸能及轮船碰撞等场合中。薄壁圆管是吸能构件的重要组成部分，其峰值载荷直接影响结构的吸能特性。ＡｌｅｘａｎｄｅｒＪＭ通过准静态轴向压缩的实验现象推导出了薄壁圆管塑性铰长度和平均载荷计算式。［１］ＫａｒａｇｉｏｚｏｖａＤ等基于应力波传递过程，推导出了适用于冲击速度为４０～１２０ｍ／ｓ的圆管轴峰值载荷计算式，并通过有限元软件进行了验证。［２，３］在不考虑应变率效应的情况下，ＲａｊａｂｉｅｈｆａｒｄＲ等依据ＫａｒａｇｉｏｚｏｖａＤ等推导的计算式对比了峰值载荷的有限元与实验结果，证实了高速撞击下圆管轴向变形半波数、屈曲形状、吸收能量和载荷变化的数值结果与实验结果较为吻合。［４］谭丽辉等通［５］过有限元仿真对比了ＴａｉＹＳ等［６］的实验结果，发现误差仅为０．２％，进一步验证了有限元模拟的准确性。ＣｈｅｎＤＨ和ＵｓｈｉｊｉｍａＫ考虑了应变率对圆管峰值载荷的影响，说明峰值载荷波动性大，需要适当的滤波

压力管道流固耦合振动数值模拟方法

压力管道流固耦合振动数值模拟方法在工业的生产和日常的生活中，使用的压力管道经常受到各方面的影响而导致振动的情况，可能是自身的原因，也可能是外部环境的影响。

如果管线在长时期内都受到振动的影响，那么应力集中部位往往会很容易产生疲劳感，材料疲劳情况加剧就会产生断裂的情况，然后引起严重事故，管道内的物质外泄会威胁着人民的财产生命的安全，所以要在生产中减少管道振动的情况，避免发生安全事故。

标签：压力管道；流固耦合；数值模拟在流体运输系统中，管道运输是一种最具有代表性的应用方式，已经广泛应用于各种工业和民用领域了，在多年的应用中，在能源运输等领域发挥了很巨大的贡献。

管道在运输进行中，管道内运输的流体不可能一直是匀速运输的，往往会因为各种可控和不可控的因素造成非正常的流动现象，这样往往会导致整个管道系统产生振动，导致系统运行的可靠性降低，导致一系列的状况，首先导致工作环境恶化、然后仪表精度受到不利影响、紧接着管道就会出现渗漏，最严重的时候一旦产生爆裂，就难免出现事故，比如1993年在湖北，阳逻发电厂发生了输水系统的多次连续事故，冷凝器周围发生了严重故障，伸缩节和泵房堵头都发生了变形导致的破坏。

1 压力管道的振动来源压力管道由管道本身、支架以及连接的设备共同构成了一个结构系统，如果外部或者内部有激振力的话，那么整个管道系统就会发生振动情况。

压力管道振动的振源分分为系统本身和系统外部两种，接下来进行具体分析。

首先，是来自系统自身的振动，一般是因为和管道相互连接的机器在运行中经常产生振动，或者管道内部的流体存在不稳定的流动状况而引起的振动；在外部原因上，一般是由于地震、风力以及海水流动等等。

振动本身是一种变动性的荷载，对压力管道本身来说是一种巨大的挑战，激振力大、危害就大，激振力小、危害就小，另外管道本身的抗振性能也很重要。

具体说来有如下因素可以进行影响：①气柱固有的频率，管道内进行流动的气体充满着弹性的时候，每次压缩机或者泵从管道进行吸气排气的时候，气柱都会因为受到干扰，导致出现振动。

压力变化引发的冲击载荷

压力变化引发的冲击载荷一、压力变化与冲击载荷的关联性在工程领域，压力变化是一个常见的物理现象，通常是由于流体压力的波动、温度变化或瞬态事件引起的。

这种压力变化可能会导致结构或系统中产生冲击载荷。

冲击载荷是一种瞬态集中力，其作用时间极短，但峰值力度很大，可能会对结构造成严重的损伤或破坏。

因此，了解压力变化与冲击载荷之间的关联性对于预测和减轻潜在的破坏性影响至关重要。

二、冲击载荷的产生与影响冲击载荷的产生通常与压力的快速变化有关。

例如，当液体管道中的压力突然升高或降低时，会形成强大的冲击波。

此外，压力的突变还可能源于机械设备的突然启动、停止或故障，以及自然灾害如地震、飓风等。

这些情况都可能导致结构或系统受到冲击载荷的作用。

冲击载荷的影响取决于其强度、持续时间和作用点。

轻度的冲击载荷可能仅导致局部结构的微小变形或损伤，而重度的冲击载荷则可能导致结构的严重损坏或破裂。

在某些情况下，冲击载荷还可能导致整个系统的失效，从而造成严重的安全事故和经济损失。

三、冲击载荷的测量与评估测量和评估冲击载荷是减轻其潜在影响的关键步骤。

这一过程通常涉及以下几个方面的测量与评估：1.传感器技术：采用高灵敏度的压力传感器和加速度计来实时监测压力变化和冲击载荷的大小和方向。

2.数据采集与处理：通过数据采集系统记录传感器数据，并利用信号处理技术分析压力变化的特征和冲击载荷的波形。

3.数值模拟与仿真：利用有限元分析、流体动力学模拟等工具，对结构或系统在冲击载荷作用下的响应进行预测和分析。

4.结构健康监测：通过安装无损检测设备和智能传感器，实时监测结构的健康状况，及时发现潜在的损伤和破坏。

评估冲击载荷的影响需要考虑多个因素，包括冲击的强度、频率、作用点以及结构的材料属性、尺寸和制造工艺等。

通过对这些因素的综合分析，可以评估出冲击载荷对结构或系统的潜在影响，为后续的减缓措施提供依据。

四、减轻冲击载荷的策略与技术减轻冲击载荷的策略与技术主要包括以下几个方面：1.缓冲设计：在关键部位采用减震器、缓冲器等装置，以减小压力变化对结构产生的冲击载荷。

隧道逃生管道的冲击实验与仿真模拟

张瑜丁庆荣，狄先均２李强，谭飞，，２
（．华中科技大学１土木工程与力学学院，北湖武汉４０７；３０４
２．鸦来公路北风垭隧道工程建设指挥部，湖北
摘
五峰４３０）４４０
要：隧道施工中的塌方事故，针对进行了隧道逃生管道的系统设计。首先进行了圆管承受横向冲击荷载的
久塑性变形包括冲击点局部凹陷、构整体弯曲结以及两者之间的耦合变形－］Ｕｎｓ给出了８。Ｅｉａ等简支圆管侧向集中荷载与最大凹陷值之间的关
最为突出。据不完全统计，国平均每年发生数全十起隧道塌方事故，些事故给隧道施工造成不这同程度的财产与人员伤亡损失。尽管理论上隧道施工塌方可以避免，实际施工时存在多方面原但
第２７卷第２期２１００年６月
华
中科技大学学报（市科学版）城ＪｆＵＴＵｂｎＳｉｃｄｔｎ．ｏＳ．（ｒａｃｎｅＥｉｏ）Ｈｅｉ
Ｖ０．．】２７Ｎｏ２
Ｊｎ２１ｕ．００
隧道逃生管道的冲击实验与仿真模拟
现场实验，究了冲击能量与变形模态、研凹陷变形之间的关系。其次采用ＡＳＳＬ — ＹＡ进行了仿真模拟，ＮＹＳＤＮ给
出了凹陷变形的时程曲线，获得了与现场实验较一致的结果。实验研究与数值模拟结果表明，垫平铺圆管的砂横向冲击变形主要为冲击点局部凹陷，结构的整体弯曲变形可以忽略。同时，据岩块大小和下落高度，以根可通过计算凹陷变形而确定圆管厚度，为逃生管道的安全设计提供依据。关键词：隧道塌方；逃生管道；横向冲击；实验；仿真

内空和充水管道在爆炸冲击荷载下的数值模拟分析

内空和充水管道在爆炸冲击荷载下的数值模拟分析房冲【摘要】利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,根据实验目的建立了计算模型,并选取适当的本构关系和材料,对空中TNT炸药爆炸冲击荷载下的内空和充水管道的动力响应规律进行了数值模拟分析,指出爆炸冲击荷载下,在等量炸药的条件下,充水管道的变形量、单元位移及单元压强峰值较内空管道低,这些参数的增加速率也均低于内空管道;充水管道的抗变形能力更强,稳定性更高.%Using the finite element software ANSYS/LS-DYNA,build the calculation model according to the purpose of the experiment,choose proper constitutive relation and materials,the numerical simulation analysis was applied to the dynamic response rules of water-filled pipes and inner air pipelines under the TNT explosion shock loading,point out under blast loading,with the same amount of TNT,these parameters,the deformation of the water-filled pipe,the displacement of pipe's element and peak pressure,are lower than the inner air pipeline.And with the increase of explosion,the increase rate of these parameters is not higher than inner air pipeline.And it's destruction resistant ability is stronger,stable is higher.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2017(043)011【总页数】3页(P130-132)【关键词】爆炸冲击;充水管道;动力响应;计算模型【作者】房冲【作者单位】解放军理工大学,江苏南京 210007【正文语种】中文【中图分类】O383.1目前，工程埋地管线的试验研究和模拟计算比较多，针对空爆条件下管道的研究较少。

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管道受坠物冲击载荷作用的数值模拟基本方法
【摘要】管道受冲击载荷作用是复杂的非线性接触问题，本文介绍了可以进行非线性分析的有限元软件、离散元软件的概况和基本原理，以及运用它们对冲击载荷作用引起的管道动力响应过程进行数值模拟的基本方法。

【关键词】管道冲击非线性数值模拟
随着我国油气管道建设的进一步深入，石油天然气管道穿越复杂地质条件的工程实践越来越多，这些管道多沿山体坡脚埋设，可能要经过滑坡、泥石流等自然灾害高发地段，由于自然灾害所产生的高速坠落的石块容易冲击管道导致管道失效。

同时，在日益发展的海洋石油开采中，海底石油管道也容易在其安装与油气输送过程中，与锚泊作业以及货物运输等人类活动造成坠的落物体发生碰撞，造成管道损伤。

因此，对管道受坠物冲击作用引起管线变形的规律和破坏机理进行深入研究具有重要意义。

本文将以有限元方法为基础，介绍管道受坠物冲击载荷作用的数值模拟基本方法。

管道受坠物冲击载荷作用是管道-土体组成的体系在冲击荷载下的整体动力响应。

无论是从静力学还是动力学的角度来分析结构的受力状态，管道与土体的相互作用都是不可忽略的，只有把管道与地基作为相互作用又相互制约的整体分析，才能得到比较符合实际的计算结果。

随着数值非线性分析成为解决岩土工程问题的重要手段，有限元、离散元等方法在管土相互作用分析中也发挥着越来越大的作用，基于这些理论的数值模拟软件也得到了极大的发展。

1 非线性数值模拟软件
1.1 ANSYS/ABAQUS
ANSYS是一种大型通用有限元分析软件，融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。

它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定合适的形函数，然后附上求解这个域总的满足条件，如结构的平衡条件、边界条件等，从而得到问题的解。

这个解不是准确解，而是近似解，随着形函数精度的提高，有限元方法可以得到相对很高的计算精度高，而且能适应各种复杂形状，这样实际问题被较简单的问题所代替，有限元成为行之有效的工程分析手段。

ANSYS主要分析类型包括：结构静力分析，结构动力学分析，结构非线性分析等。

ABAQUS同样也是一款功能强大的，以有限元理论为基础的工程模拟软件。

与ANSYS相比，ABAQUS软件在求解非线性问题时具有非常明显的优势，其非线性涵盖材料非线性、几何非线性和状态非线性等多个方面，而且采用了人机
交互界面，其强大的非线性分析功能已经在设计和研究的用户中得到了广泛的认可。

1.2 3DEC
3DEC一款基于离散单元法基本理论来描述离散介质力学行为的数值分析软件，是英文3 Dimension Distinct Element Code的缩写。

离散单元法是Cundall 于1971年提出来的，离散单元法也像有限单元法那样，将区域划分成单元。

但是单元因受节理等不连续面控制，在以后的运动过程中，单元节点可以分离，即一个单元与其邻近单元可以接触，也可以分开。

单元之间相互作用的力可以根据力和位移的关系求出，而个别单元的运动则完全根据单元所受的不平衡力和不平衡力矩的大小按牛顿运动定律确定。

离散单元法是继有限元法之后，用于分析物质系统动力学问题的又一种强有力的数值计算方法，3DEC为解决众多涉及颗粒、结构、流体与电磁及其耦合等综合问题提供了一个平台，已成为过程分析、设计优化和产品研发的一种强有力的工具。

它拥有极其丰富的岩土体或结构材料模型库，如常用的：弹性模型、各向异性模型、莫尔库仑模型、Drucker-Prager 模型、双线性塑性模型、应变软化模型、蠕变模型和用户自定义模型。

2 有限元模型建立
图1？裸置管道、埋地管道模型示意图
2.1 非线性接触求解过程
管道受冲击载荷作用是复杂的非线性接触问题，必须要考虑管道与地基的相互作用。

接触问题是一类非线性问题，属于边界条件非线性问题，有别于材料非线性和几何非线性。

接触问题中的边界条件不是在计算开始就给出，而是在计算过程中产生。

两接触体之间接触面的面积与压力分布随外载荷变化而变化，而且与接触体刚性有关。

一般采用罚函数法解决接触问题，罚函数法[2]是一种近似方法，实质是将接触非线性问题转化为材料非线性问题。

由于计算简单，与显式算法完全兼容，所以使用比较广泛。

根据管道与土之间的相互作用特点，将接触面约束条件引入惩罚势能泛函，接触问题就等价于无约束优化问题，则相应泛函的极值条件为：
其中：M、C、K、pK、F 分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、整体切向刚度矩阵、接触刚度矩阵、节点总体外载荷向量。

非线性分析软件ABAQUS认为，当两个表面直接间隙为零时，两个表面接触，并在相应节点上施加接触约束，对两个接触表面直接能够传递的接触压力的大小没有任何限制。

而当接触面之间的接触压力变为零或负值时，两个接触面分离开来，同时解除相应节点上的接触约束，两表面可以发生任意的相对滑动。

对于裸置管道，如图1中裸置管道模型，可以采用Explicit设置两个接触对：使用General contact定义坠物表面与管道上表面的接触，用Surface-to -surface contact
定义管道与土体的接触。

而对于埋地管道，如图2中埋地管道模型，同样可以采用Explicit设置两个接触对：使用General contact定义坠物表面与土体表面的接触，用Surface-to-surface contact定义管道与土体的接触。

2.2 土体本构模型
f 为动剪应力的函数。