低速側向撞擊下充壓管道的動力回響與失效機理研究

《低速側向撞擊下充壓管道的動力回響與失效機理研究》是依託山東科技大學，由劉鋒擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：低速側向撞擊下充壓管道的動力回響與失效機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉鋒
• 依託單位：山東科技大學

項目摘要

偶然事件造成的撞擊載入通常會造成充壓管道失效，從而引起災難性後果。管道抗撞技術的進一步發展迫切需要對其可能承受的複雜撞擊工況以及具有普遍代表意義的回響模式進行深入研究。本項目擬採用系統試驗、數值模擬、理論推導手段針對充壓管道低速撞擊行為開展研究。首先，針對撞擊角度、位置發生改變的工況進行系統試驗，通過解析管道變形、內壓等變數的瞬態發展過程，探明撞擊參數與回響模式之間的連線關係和相互作用機理。然後，基於試驗數據和有限元參數分析，總結、歸納管道在撞擊過程中內力、變形、能量等參數的分布特徵和演變規律，揭示對應不同撞擊工況的管道回響模式和失效機理。最後，針對高壓管道整體變形特點，基於大變形動力學控制方程，發展考慮液固耦合效應並適用於管道分析的簡化梁模型計算方法。本項目的研究成果將為全面、清晰的認識充壓管道撞擊行為提供試驗和理論依據，同時也將為建立高效的管道安全性設計、評價理論提供新思路。

結題摘要

本課題立足低速撞擊（小於15m/s）,通過動、靜力實驗、三維有限元模擬和理論推導系統研究了充壓管道衝擊動力行為和失效機理。 管道正向撞擊實驗考察因素涵蓋介質類型、充壓水平、撞擊體形狀、撞擊位置，首次清楚揭示了介質質量和充壓水平共同主導管道動力行為的機理，並明確對於低速撞擊問題，相比介質質量，充壓水平起首要主導作用。跨中和1/4跨處發生撞擊將引起管道首先在撞擊區產生局部變形，隨之管段發生整體彎曲變形，因塑性耗能區域增大導致失效能量提高；根部位置承受撞擊將引起管道脆性剪下破壞，其對應失效能量最小。內充壓力介質因可有效阻止撞擊區域局部變形開展，導致管道整體變形比份增大，促使失效模式由撞擊區域向管道根部轉移。內壓的升高較小程度上影響管道最終塑性變形，卻顯著改變局部變形與整體變形比值，從而導致管道失效能量的極大降低。刀形撞擊體因與管道接觸面積較半圓形和楔形小，塑性耗能區域過於集中從而導致失效能量最小。 斜向撞擊下，管道將經歷撞擊瞬時局部變形，隨之撞擊體與管道摩擦滑移以及全管段整體彎曲變形耦合過程。摩擦滑移的存在將導致管道截面扁平化範圍較正向撞擊局部變形區域加大，從而產生更大的塑性耗能能力，導致管道失效能量高於正向撞擊工況。內充壓力介質的存在將顯著降低撞擊體與管道的摩擦滑移距離，導致失效能量降低。 選用水、空氣和乾沙為內充介質進行的四點彎曲實驗表明，薄壁管道將在載入前期經歷截面扁平化，後期在某個截面集中發展塑性，形成“結節”，整體彎曲行為呈現明顯的前期彈性-中期塑性強化-後期軟化特點。內充介質和壓力水平可以顯著提高管道的臨界曲率和彎矩，其提升程度取決於介質性質和壓力水平。 基於ABAQUS程式，套用其自帶的Surface based Fluid Cavity功能模擬管道內充介質和壓力水準，可以實現對充壓管道動力回響行為的精細模擬。基於管道變形後構型，並考慮內壓和介質質量影響，採用實驗測量的彎矩-曲率關係描述管道彎曲行為，本課題推導了基於線元的管道大變形運動方程，實現了套用簡單梁單元進行充壓管道動力行為的模擬。 本項目所開展的實驗研究成果清晰、明確地回答了諸如介質壓力，撞擊形狀、位置、角度等因素影響充壓管道衝擊動力行為的機理；基於有限元軟體的數值模擬為高效分析管道回響提供了行之有效的路徑；理論推導的基於梁單元的分析方法為建立簡化、可靠的管道安全性設計、評價理論提供了新思路。