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高温和爆炸荷载联合作用下架空管道的数值分析

姜雪磊  
【摘要】:管道作为当今社会必不可少的运输方式,解决了长距离下危险物品的传输问题。但是,由于设计、施工缺陷和质量问题等可能会引发火灾或爆炸事故,这些管道一旦遇到火灾和爆炸,将会造成生命、财产方面的巨大损失,而泄露的介质也将会造成环境污染。在大多数情况下,爆炸与火灾可能会同时发生。以往单独对爆炸荷载作用下或单独火灾作用下的破坏机理的研究成果有较多报道,但是爆炸与火灾联合起来研究还是甚少。因此,开展对爆炸火灾的研究具有广泛的前景,而这一方面需要解决的问题也日趋增加。现如今,数值模拟不仅仅被看成是理论和实验研究的辅助手段,它已经成为独立于理论和实验的一种基本的科学研究方法。由于爆炸和火灾的高危险性和难操作性,借助数值模拟的方法可以很好地进行复杂问题的计算和相关的力学研究,因此,数值模拟技术在分析此类问题时已成为重要的手段之一。本文利用ANSYS及LS-DYNA程序对输油管道在火灾爆炸荷载作用下的动力响应进行有限元数值分析,总结了爆炸分析与热分析有限元方法的基本原理,通过原理的分析及阅读大量文献比较后确定相关参数及方法,建立了爆炸有限元分析模型,并分别分析了内部有充液充压的管道结构在爆炸荷载作用下的动力响应以及单独火荷载作用下的管道结构的温度场及热应力,最后利用重启动的方法将爆炸与高温荷载联合作用下输油管道动力响应及破坏模式进行分析。首先,通过LS-DYNA解决了管道、内部液体、空气及炸药的流固耦合模型,并利用程序自带TNT材料模型进行爆炸数值模拟,表明内部有充液充压管道对抗爆有积极的作用。随后,对充液管道在不同环境高温下的温度场及热应力进行分析,得出管道结构上各个点的热应力。本文采用了一种方法,即重启动方法,用于将爆炸荷载与温度荷载同时加入管道结构中,从而模拟了爆炸与火灾联合作用下的情况。结构表明,当管道结构先受火后受到冲击荷载作用时,火灾温度越高,管道的抗冲击能力越低,且火灾温度对管道的抗爆炸冲击能力影响较显著;当管道结构先受到冲击荷载后受火灾荷载作用时,爆炸对管道的后续抗火的能力影响不明显,如果在火灾过程中发生爆炸,而若爆炸没有使得管道结构丧失承载能力,那么管道所能够承受的极限温度几乎与未发生爆炸时发生的情况相同。


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