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采用数值模拟进行输水塑料管负压破坏因素研究姓名：聂锦杰学号：2015200915专业：水利水电工程指导老师：程建军老师采用数值模拟进行输水塑料管负压破坏因素研究1.研究背景流体力学，是研究流体(液体和气体)的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的静止状态和运动状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用和流动的规律。流体力学是力学的一个重要分支，而工程流体力学(应用流体力学)侧重在生产生活上的实际应用，它不追求数学上的严密性，而是趋向于解决工程中出现的实际问题。流体力学作为一门学科，在其历史发展过程中产生并不断完善了一些解决问题的方法，如试验研究、理论分析和数值计算。而数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图象显示的方法，解决工程问题和物理问题乃至自然界各类问题。2.研究目标建立塑料管道负压破坏的数理模型，探明塑料管道在管内负压作用下的管道负压破坏以及当管道在管外土压力作用下管道断面蠕变为椭圆形后管道的负压破坏机理。3.研究内容塑料输水管道的负压破坏过程分为两个阶段，首先是管道在外力作用下产生变形，然后在管内负压作用下管壁产生偏心受压破坏，所以本文主要探讨塑料管道在管内负压作用下的破坏因素。主要研究内容有三项：（1）管道在管内负压作用下变形量的理论计算塑料管道属于柔性管。这种类型管在外力作用下截面很容易发生变形。本文将考虑管道周围土压力因素，研究管道的变形特点。（2）管道负压破坏特征的研究当管道出现较大变形时，管道断面由圆变为椭圆。在管内负压作用下管道产生偏心受压，容易导致管道凹瘪和偏心受压破坏。（3）管道负压破坏力学模型的研究在数值模拟和负压试验的基础上，分析影响管道负压破坏的因素。4.研究方法本文通过理论计算、工程软件模拟、实验验证相结合的方法，研究管道在负压破坏的因素。管道在外压和内负压作用下管壁受力和变形量的理论计算（1）管道可以看作是敷设在地基上的一无限长梁，沿管道纵向截取一个单位长度，运用材料力学、结构力学、弹性力学等理论知识计算管道壁厚、弹性模量与管道变形量，分析管道壁厚、管道刚度与管道变形量的关系。（2）有限元软件ANSYS模拟本文将首先用有限元软件ANSYS建立数值计算模型，考虑材料的非线性和几何非线性，建立三维有限元分析模型。有限元模型参数如下。表1-1有限元模型参数Table1-1Parametersoffiniteelementmodel有限元模型参数数值管道规格160屈服强度y（）（代测试）弹性模量E(）待测试泊松比待测试管道长度L（m）6~1.2管道直径D（mm）160管道厚度t（mm）3.2、3.5选用四节点管单元，该单元能有效模拟几何非线性和材料非线性行为。然后用管道负压实验验证管道破坏形式，测试管道屈服强度。(3)管道负压破坏特征的研究采用塑料管道（PVC-U）负压试验，测试管材的物理参数，包括材料屈服强度、弹性模量和泊松比。观察并分析塑料管道的负压破坏方式。PVC-U管两端用法兰管接口连接，左边接有注水管，右边连接空气负压罐，在空气负压罐的底部连接离心泵，在塑料管两端安装压力表来监测塑料管内压力，离心泵用来实现管内负压。在管道顶端和管道两侧安装位移计，监测管道的变形量。在管道外壁贴轴向和环向应变片来测管壁应变，利用本构关系测定管材材料参数，包括弹性模量和泊松比，然后利用管材参数计算管道在外压作用下的变形。对比圆形管道和椭圆化的管道在管内负压作用下的临界失稳强度。为研究椭圆截面管道的负压屈曲失稳临界压力，可以给管道进行预压，使管道产生一定量的变形，是其具有一定的椭圆度。(4)管道负压破坏力学模型的研究薄壁管道在外荷载作用下，管道截面会发生椭圆化。椭圆化将使管道局部产生较大的环向应力和弯曲应力，甚至导致管道发生局部屈曲破坏。同时，管道受到内压引起的环向应力及轴力引起的纵向应力。采用屈服准则，该准则遵循材料力学第四强度理论（形状改变比能理论）。屈服准则可以表达为如下公式：222rry（1-4）式中为纵向应力，为环向应力，屈服应力。当管道内一点的等效应力达到屈服应力时，管道发生屈服，此时所施加的力即为管道的极限承载力。5.技术路线本文主要利用理论计算、有限元软件ANSYS模拟和管道负压试验的方法对塑料管道在负压环境下考虑管道径厚比、管道长度、管道初始椭圆率等因素的变形和破坏进行分析。采用塑料管道（PVC-U）负压试验，测试管材的物理参数，包括弹性模量和泊松比。观察并分析塑料管道的负压破坏方式。具体实验思路如下：PVC-U管两端用法兰管接口连接，左边接有注水管，右边连接空气负压罐，在空气负压罐的底部连接离心泵，在塑料管两端安装压力表来监测塑料管内压力，离心泵用来实现管内负压。在管道顶端和管道两侧安装位移计，监测管道的变形量。在管道外壁贴轴向和环向应变片来测管壁应变，利用本构关系测定管材材料参数，包括弹性模量和泊松比，然后利用管材参数计算管道在外压作用下的变形。对比椭圆化的管道在偏心受压和圆形管道径向受压的能力。为实现管道的偏心受压，可以给管道进行预压，使管道产生一定量的变形。采用弹塑性解析法和和弹塑性屈曲法对管道进行受理屈服破坏分析。技术路线表如图1-1：图1-1技术路线Fig.1-1Technologyroadmap6.试验手段本文主要利用理论计算、工程软件模拟、试验验证的方法对塑料软管在负压环境下进行考虑管道径厚比、管长、初始椭圆率等因素的变形和破坏进行分析。7.结论分析本研究中采用ANSYS有限元分析软件，建立了与试验模型相同的数值模型，数值模拟分析结果与试验结果吻合较好，验证了有限元分析模型的正确性，通过有限元分析管道负压屈曲破坏非常可行。通过管道负压屈曲数值模型与管道负压破坏试验对比分析，管道的负压屈曲路径以及屈曲模态与负压试验所得情况大致相同。在管内负压作用下，管壁产生弯矩，管壁产生以弯曲应力为主的环向压应力，随着应力的发展，管壁在弯矩最大处受压屈服，管道发生局部屈曲。通过分析不同长度和径厚比的管道失稳压力，分析结果表明管道的负压破坏临界值随着管道的径厚比的增加而明显减小；管道两端的约束对管道失稳压力有明显影响；对于壁厚为3.2mm管道，在间隔1.2m处加肋，对于壁厚为3.5mm管道，在间隔1.4m处加肋，管道失稳压力大于0.01MPa，可以避免管道在管内出现真空时发生负压破坏，管道设计提供设计基础。分析不同椭圆率和管长对管道负压屈曲破坏的影响。研究结果表明，在管内负压作用下，管道的失稳压力随着径厚比和初始椭圆率增大而显著减小；通过对比非线性屈曲分析结果与试验结果可知非线性屈曲结果与试验结果略有差异，但非线性屈曲分析结果可以很好的预测管道负压破坏的临界值。8.展望通过长时间学习和探索，本文主要研究了输水塑料（PVC-U）管道在管内负压作用下的破坏因素，取得了一些有实用价值的研究成果。然而，由于作者时间和精力有限，再加上问题的复杂性，本文中还存在很多缺憾，在许多方面还有不少问题有待进一步解决，如：（1）在PVC-U材料模型的简化中，将材料模型简化为双线性强化模型，但实际上PVC-U材料模型为复杂多线性材料，材料的强化系数对管道失稳压力的影响还有待研究。（2）本文中将输水管道内水锤负压简化为静载荷，而实际的水锤负压为冲击荷载，而静载荷作用下管道失稳压力较冲击荷载作用下管道失稳压力偏保守，冲击荷载作用下管道失稳压力还需进一步研究。（3）影响输水管道负压屈曲失稳的因素很多（各种荷载的作用），如土压力。对于埋地管道，管道与土壤之间有复杂的作用，埋地管道在管内负压作用下的失稳破坏仍有待研究。