大管径压力管道断裂数值模拟分析

摘要

大口径的压力管道断裂破坏会造成严重的后果。针对某埋地的大口径输水管道发生断裂破坏的问题，采用理论分析、数值模拟计算分析方法，找出了压力输水管道发生断裂的原因。根据数值模拟计算结果，提出了预防管道发生断裂的具体建议，为泵站解决管道断裂问题提供了理论依据。本文的主要研究成果和结论如下：
　　(1)通过对DN2400压力管道建立有限元分析模型，结合实际边界条件和运行工况，运用ANS YS Workbenchl6.0有限元分析软件对该泵站埋地管道进行了静力分析，结果表明:在组合载荷作用下产生的最大等效应力远大于Q235钢材的屈服强度，从而导致了压力输水管道在内焊缝与管道连接处这一薄弱环节发生断裂。
　　(2)不施加管道工作压强和温度载荷情况下对埋地管道进行静力分析，得到压力管道的等效应力最大值仅为30.60MPa，与全部荷载作用下的等效应力最大值374.48MPa相差很大。由此可以得出管道工作压强和温度载荷对管道的等效应力影响很大，而其他载荷对其的影响较小。
　　(3)管道工作压强在1.0MPa到2.0MPa的范围内以0.2MPa的变化量变化，然后对模型进行静力分析，管道等效应力在318.49MPa到437.25MPa之间变化，且基本呈线性快速增长。说明管道压强变化对管道等效应力具有很大影响。
　　(4)管道工作压强从1.OMPa到2.0MPa之间以0.2MPa的变化量变化，比较分析相同管道压强情况下有温度载荷和没有温度载荷作用时与等效应力的关系得到:有温度荷载作用情况下，其等效应力值较没有温度荷载作用下大得多，相差的最大值为146.90MPa，相差最小值为88.29MPa。说明温度载荷对管道等效应力影响非常显著。
　　(5)根据数值模拟计算结果，结合该泵站的实际情况，提出了针对管道断裂问题的3点工程措施。
　　本文的研究成果对解决该泵站埋地管道的断裂问题提供了理论依据，同时也对同类压力管道设计具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 供水工程管道发展方向

1．1．2 工程概述及问题的提出

1．2 初步原因分析

1．3 研究意义

1．4 研究现状

1．5 本文主要研究内容

1．6 研究方法及目标

1．7 创新点

第二章 埋地管道力学性状分析

2．1 埋地管道土压力分析

2．1．1 土柱滑动面模型

2．1．2 弹性地基梁模型

2．1．3 经验集中系数模型

2．2 埋地管道横向静力分析

2．2．1 弹性理论分析方法

2．2．2 结构力学计算方法

2．3 埋地管道纵向静力分析

2．4 应用有限元法分析埋地管道力学性状

2．4．1 有限元基本方程

2．4．2 有限元分析的基本步骤

第三章 压力管道模型的建立

3．1 有限元分析软件简介

3．1．1 ANSYS有限元软件简介

3．1．2 ANSYS Workbench有限元软件简介

3．2 运用ANSYS Workbench对压力管道建模

3．2．1 研究对象概述

3．2．2 单元类型的选取

3．2．3 有限元模型的建立

第四章 压力管道的结构静力学分析

4．1 工程数据

4．2 建立接触关系

4．3 划分网格

4．4 边界条件

4．4．1 固定约束

4．4．2 无摩擦约束

4．4．3 管道自重

4．4．4 静水压力

4．4．4 覆土压力

4．4．5 管段工作压强

4．4．6 温度载荷

4．5 静力分析求解及结果分析

4．6 工程措施

第五章 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

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