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充水压力管道受弹体侧向冲击动力响应及穿透破坏研究

路国运  
【摘要】:对压力管道在强冲击作用下破坏的研究首先是从不考虑内部介质与压力的管开始的,并已经取得了一些可用于工程实践的经验公式和有价值的理论结果。然而,大部分管道是在内充高压介质流体的状态下工作的,考虑内充流体介质及其压力与管道受侧向冲击破坏的耦合作用要比仅研究内空无压管道的响应更富有工程实际意义。本文对国内外关于内空圆管及充有压力介质的管道经受局部撞击作用时的大变形与破坏的研究现状进行了综述,从圆管的侧向撞击凹陷及其对管柱承载能力的影响、管壁的撞击穿透、圆管的斜冲击、内充介质及压力对冲击穿透的影响、分析模型等5个方面介绍了一些重要实验结果和处理该类冲击的分析方法与力学模型,指出了目前对内充介质及压力对圆管临界穿透能量影响的不同结论。采用实验研究—数值仿真—简化分析的技术路线对内充介质压力管道受弹体侧向冲击破坏的问题进行了研究,给出了内充介质及压力对临界穿透能量的影响趋势,主要工作如下: 首次对三跨连续充水压力管道受弹体侧向冲击的动力响应及破坏开展了大量的实验工作,完成了两组六类共185个试件的充水压力管道撞击破坏实验。试件为两种不同尺寸的钢管,采用三跨连续梁支承。Ⅰ组为外径44mm,厚度1mm的薄管,其屈服强度σ_y=368MPa,强度极限σ_u=504MPa。Ⅱ组为外径45mm,厚度3mm的厚管,其屈服强度σ_y=340MPa,强度极限σ_u=490MPa。充水圆管预加工作内压分别为0MPa,5MPa,10MPa,15MPa 一-一型鳖吕夔鳖些墓型奎鼓一一一 和20MPa,弹头形状分别为平头、半球头、和锥头。实验分析表明: ①、内充儿乎不可压缩的介质降低金属圆管的临界穿透能量,其降 低程度与管的径厚比直接相关。对于薄壁管,半球形弹体穿透 空管所需的临界穿透能量比充水钢管(预加内压为。MPa)高 23.7%。平头弹体穿透空管所需的临界穿透能量比充水钢管高 29.6%。而对于径厚比为15的厚管两种弹体冲击作用下的降幅 在2一3%之间;锥头弹体冲击厚壁空管的临界能量比充水管的高 2%左右。 ②、管内预加内压的提高也会使临界冲击能量降低,但对于厚壁管 这一影响并不明显。 ③、实验中采用的三种弹头形式分别对应于管的不同破坏模式,平 头弹体使管壁产生剪切冲塞型破坏,球形弹头使管壁产生不完 全碟形破坏。锥形弹体引起管壁的破坏模式随径厚比增加由花 瓣型向剪切冲塞型过渡。 ④、相同内压情况下球形冲头的临界穿透能量略高于锥头,平头弹 体临界穿透能量比球形和锥形弹头低很多,说明三种形式的弹 头中,平头弹体最具有破坏力。 ⑤、管壁的碟形变形是引起管内压力上升的主要因素。 利用大型非线性有限元程序LS一DYNA对充水压力管道受弹体侧向冲 击的问题进行了仿真分析。由于冲击过程涉及流固祸合,本文利用程序 中关于Lagrangian与Eulerain几何体相互祸合的机制来处理复杂的流 体与管壁之间的相互作用,给出了压力管道受弹体侧向冲击的动态变形 过程,对于内充介质对管的临界穿透能量的影响计算机模拟给出了与实 验结果相一致的结论。计算中运用ALE描述的流体单元来处理圆管内充 水,并采用最大等效应变破坏准则,给出了圆管的变形及失效的模态, 仿真分析得到了冲击力、冲击点处位移及管内液体压力变化的时程曲线, 与实验结果相比较其一致性是令人满意的。仿真分析的动画显示,整个 太原理工大学博士研究生学位论文 冲击过程可分为冲击接触,碟形变形扩展及穿透破坏三个阶段。计算表 明,临界冲击速度随弹体质量的增加而减小,临界冲击速度与弹体质量 在对数坐标下的变化趋势几乎是一条直线。临界冲击速度随内充液体密 度的增加而减小,当液体密度增加到某一值时一,再增加液体密度,临界 冲击速度不再发生变化。 采用塑性地基梁模型对内空薄壁圆管受弹体侧向冲击破坏问题进行了 分析,预测了临界破坏能量,给出了冲击力时程曲线,计算结果与实验 值吻合很好。在地基梁的分析模型中引入附加质量及附加阻尼以考虑内 充液体和压力的影响,改进了地基梁的计算模型取得理想的计算结果。 对于内充压力的影响,分别采用直接将内压力类比为地基反力的方法及 利用环向膜力因子的方法进行处理,两种分析都给出了内压力对薄壁圆 管的临界穿透能量有降低的趋势,内压力的存在,使得冲击作用在管壁 上,沱生的凹陷变形区域减小,并使冲击作用时间缩短。研究显示:塑性 地墓梁是一种有效的理论模型,可预测圆管受弹体冲击穿透破坏及变形。 附加质量及附加阻尼能够很好的反映内充介质及压力对管壁变形及破坏 的影响,其计算结果与实验数据吻合的很好。 本研究为压力管道的耐撞性分析和研究提供了重要的技术参数及工程 分析方法。


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