侧向撞击下内充压力介质管道动力响应及破坏机理研究

摘要

随着我国经济技术的迅速发展、能源战略的快速转移，能源项目的开发、利用必将成为我国今后重点发展方向和热点研究领域，石油、天然气等能源输送行业将得到迅速发展。而管网系统作为输送高能高压气体、液体等能源物质的主要方式逐渐成为了核电站、石油及化工等重要产业部门的命脉，为社会和经济的高速发展提供了能源保障。与此同时，管网系统往往由于周围的不确定因素存在着潜在的安全危险，突发事件、偶然撞击等造成的管道破坏时有发生，管道破坏使其内充压力介质喷射造成环境污染，甚至引起爆炸或火灾，造成生命、财产的巨大损失。　　此外，现行的抗震规范旨在最大限度的防止结构倒塌，但并不能保证非结构构件的绝对安全。地震过程中此类构件的随机坠落可能对布置于建筑周边的充压管道造成侧向撞击，从而引起严重的次生灾害。这在近年发生于海地、智利、日本等世界各地的地震灾难中广为存在，其造成的灾害程度已远远超越结构本身的破坏。而对于内充压力介质管道耐撞性研究领域，我国的研究还处于初试阶段，充压管道作为能源运输和转移的重要载体，对其安全性的研究具有重大的应用前景和战略意义。管道抗撞技术的进一步发展迫切需要对其可能承受的复杂撞击工况以及具有普遍代表意义的响应模式进行深入细致研究。　　本文采用系统实验、数值模拟、理论推导等手段针对内充压力介质管道的弯曲行为和撞击下的动力响应行为展开研究。　　首先，通过系列四点弯曲实验，考察了内充介质和内充压力对薄壁圆管弯曲力学行为的影响。纯弯作用下，管道将在加载前期经历截面扁平化，后期在某个截面集中发展塑性，形成“结节”。基于实测数据的弯矩-曲率关系表明，管道整体弯曲行为呈现明显的前期弹性-中期塑性强化-后期软化特点。内充介质和压力水平会显著提高管道的临界曲率和弯矩，其提升程度取决于介质性质和压力水平。　　其次，针对管道甩动问题，考虑介质和内充压力的影响，基于变形后的构型，推导了管道动力响应的大变形控制方程。考虑到悬臂结构的响应特点，本构方程解耦弯矩和轴力，并采用四点弯曲实验测量的弯矩-曲率关系描述管道弯曲行为。强动载荷作用下，悬臂空管道会因某些截面的局部失效而在整体管段上形成“结节”，表现出实腹式截面未曾出现的“软化”行为。内充介质和压力的存在可以有效抵抗管道截面的局部扁平化趋势，提高管道截面的临界曲率，从而改变其塑性动力响应行为。　　然后，针对管道低速侧向撞击动力响应与失效机理问题，通过落锤冲击实验，配合数据采集系统和高速摄像机等设备系统地考察了内充介质、内充压力对管道撞击行为的影响，并进一步考察了撞击位置、撞击头形状等其他影响因素。内充介质、内充压力均减小管道撞击位置处的局部变形，引发管道的破坏模式改变，导致临界失效能量降低。　　最后，针对管道中高速撞击下的动力响应与破坏模式等问题，应用空气炮驱动子弹进行充压管道中高速撞击实验，考察了管道响应过程和失效模式的规律。研究发现，中高速撞击导致管道变形局部化，临界失效能量随着压力水平上升而下降。　　本文所取得的研究成果将为全面、清晰的认识内充介质、内充压力管道撞击行为提供实验和理论依据，同时也将为建立高效的管道安全性设计、理论评估提供新思路。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 当前研究存在的主要问题

1.4 本文研究内容

2 内充压力介质管道弯曲力学行为实验研究

2.1 实验介绍

2.2 实验现象

2.3 弯矩-曲率关系

2.4 基于实验结果的讨论

2.5 本章小结

3 端部撞击下内充压力介质悬臂管道瞬态动力响应研究

3.1 研究现状

3.2 控制方程和求解

3.3 悬臂充压管道的弹塑性变形机制

3.4 本章小结

4 低速侧向撞击下内充压力介质管道动力响应及破坏机理研究

4.1 实验介绍

4.2 变形响应及破坏模式

4.3 临界失效能量

4.4 基于实验结果的讨论

4.5 本章小结

5 中高速侧向撞击下内充压力介质管道动力响应及破坏机理研究

5.1 实验介绍

5.2 变形响应及破坏模式

5.3 临界失效能量

5.4 基于实验结果的讨论

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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