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冲击载荷作用下高能管道塑性大变形的最大挠度预测方法

顾睿杰 董成武 何建 孙晓丹 姚迪

顾睿杰, 董成武, 何建, 孙晓丹, 姚迪. 冲击载荷作用下高能管道塑性大变形的最大挠度预测方法[J]. 核动力工程, 2025, 46(1): 216-224. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0216
引用本文: 顾睿杰, 董成武, 何建, 孙晓丹, 姚迪. 冲击载荷作用下高能管道塑性大变形的最大挠度预测方法[J]. 核动力工程, 2025, 46(1): 216-224. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0216
Gu Ruijie, Dong Chengwu, He Jian, Sun Xiaodan, Yao Di. Maximum Deflection Prediction Method for Plastic Large Deformation of High-energy Pipelines under Impact Load[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(1): 216-224. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0216
Citation: Gu Ruijie, Dong Chengwu, He Jian, Sun Xiaodan, Yao Di. Maximum Deflection Prediction Method for Plastic Large Deformation of High-energy Pipelines under Impact Load[J]. Nuclear Power Engineering, 2025, 46(1): 216-224. doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0216

冲击载荷作用下高能管道塑性大变形的最大挠度预测方法

doi: 10.13832/j.jnpe.2025.01.0216
基金项目: 国家自然科学基金项目(52278297)
详细信息
    作者简介:

    顾睿杰(1999—),男,硕士研究生,现主要从事高能管道甩击方面的研究,E-mail: 1834745617@qq.com

    通讯作者:

    何 建,E-mail: hejian@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: TL353.13;O347.3

Maximum Deflection Prediction Method for Plastic Large Deformation of High-energy Pipelines under Impact Load

  • 摘要: 高能管道在冲击载荷的作用下,结构会发生大挠度变形。为了预测高能管道的最大变形挠度,本文基于膜力因子法(MFM)推导了适用于该结构的膜力因子,建立了相较于传统方法更便捷的跨中挠度计算方法,并与数值模拟结果和试验结果进行了对比,验证了其准确性。研究结果表明:MFM对管道结构挠度预测有较高的准确度;跨中挠度的大小由变量因子控制,跨中挠度随着冲击荷载与管道长度的增加而增加,随着塑性极限弯矩的增加而减小。由于MFM未考虑截面塌陷所耗散的能量,所以对于椭圆化程度较高的管道,挠度预测结果与实际情况相比偏大,但是由于管道内部高能流体的支承,管道的塌陷效应不明显,因此该方法可用于对高能管道大挠度变形进行预测。针对塌陷程度较高的管道,结合塌陷模型对MFM预测结果进行了修正,大大提高了预测方法的准确性。

     

  • 图  1  冲击载荷作用下管道的力学模型

    P—冲击载荷

    Figure  1.  Mechanical Model of Pipelines under Impact Load

    图  2  圆管结构有限元模型

    Figure  2.  Finite Element Model of Circular Pipe Structure

    图  3  伪应变能与总应变能比值时程曲线

    Figure  3.  Time-history Curve of Ratio of Pseudo-strain Energy to Total Strain Energy

    图  4  数值模拟应力云图及挠度曲线

    Figure  4.  Stress Contour and Deflection Curve of Numerical Simulation

    图  5  不同冲击载荷工况下结构动能时程曲线

    Figure  5.  Time-history Curves of of Structural Kinetic Energy under Different Impact Loads

    图  6  不同冲击载荷工况下Abaqus模拟挠度曲线

    Figure  6.  Abaqus Simulation Deflection Curves under Different Impact Load Conditions

    图  7  MFM与试验结果对比

    Figure  7.  Comparison between MFM and Experimental Results     

    图  8  高能流体冲击和锥头冲击示意图

    Figure  8.  Schematic Diagram of High Energy Fluid Impact and Cone Head Impact

    图  9  理想塌陷模型

    Figure  9.  Ideal Collapse Model

    图  10  FEA与MFM预测值及修正值对比

    Figure  10.  Comparison of Predicted and Corrected Values between FEA and MFM

    图  11  变量因子-无量纲位移曲线

    Figure  11.  Variable Factor-Dimensionless Displacement Curve

    图  12  不同参数下的跨中挠度曲线

    Figure  12.  Mid-span Deflection Curve with Different Parameters    

    表  1  管道甩击试验工况参数

    Table  1.   Conditions of Pipe Whip Test

    管道
    长度/mm
    管道
    半径/mm
    管道
    厚度/mm
    压力/
    MPa
    等效冲击
    荷载/ kN
    温度/K 屈服
    应力/MPa
    3000 25.4 2.6 5 11 553.1 295
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    表  2  不同冲击载荷工况下的结果

    Table  2.   Results under Different Impact Load Conditions

    冲击载荷/kN MFM预测跨中
    挠度/mm
    数值模拟跨中
    挠度/mm
    误差/%
    10 −109.850 −107.823 1.845
    15 −175.879 −171.221 2.648
    20 −239.253 −229.872 3.921
    25 −301.731 −296.891 1.604
    30 −363.792 −351.575 3.358
    下载: 导出CSV

    表  3  落锤冲击试验的工况参数

    Table  3.   Condition Parameters of Drop Hammer Impact Test

    编号 试件代号 质量/kg 高度/mm 直径/mm 壁厚/mm 长度/mm 屈服应力/MPa 挠度/mm
    1 B1-WM-1 427 509.8 60 3.5 900 250 −56.42
    2 B1-WM-2 427 1012.5 60 3.5 900 250 −83. 11
    3 B1-WM-3 427 1703.7 60 3.5 900 250 −110.00
    4 D2-WM-1 427 3011.8 114 4.0 1200 275 −120.90
    5 D2-WM-2 427 4001.5 114 4.0 1200 275 −144.00
    6 D2-WM-3 427 5006.7 114 4.0 1200 275 −159.90
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    表  4  FEA工况参数及结果

    Table  4.   Condition Parameters and Results by FEA

    等效喷射载荷/kN直径/mm壁厚/mm长度/mm温度/K压强/MPaFEA结果/mmMFM结果/mm误差/%
    100168.39.9662661310305.472339.33011.084
    150168.39.9662661310381.980476.94024. 860
    200168.39.9662661310463.662604.07330.283
    250168.39.9662661310540.138728.55834.884
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    表  5  软件计算结果

    Table  5.   Calculation Results by Software

    编号 Fe/ kN 管道
    长度/mm
    管道
    半径/mm
    管道
    厚度/mm
    跨中
    挠度/mm
    1 10 3000 25.4 2.6 −109.850
    2 20 3000 25.4 2.6 −239.253
    3 30 3000 25.4 2.6 −363.792
    4 10 2000 25.4 2.6 −57.459
    5 10 2500 25.4 2.6 −85.880
    6 10 4000 12.7 2.6 −154.353
    7 10 3000 38.1 2.6 −243.651
    8 10 3000 50.8 2.6 0
    9 10 3000 25.4 2.6 0
    10 10 3000 25.4 1.0 −314.168
    11 10 3000 25.4 2.0 −150.007
    12 10 3000 25.4 3.5 −71.537
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  • [1] CHEN K S, SHEN W Q. Further experimental study on the failure of fully clamped steel pipes[J]. International Journal of Impact Engineering, 1998, 21(3): 177-202 . doi: 10.1016/S0734-743X(97)00083-3
    [2] BROOKER D C. Denting of pressurised pipelines under localised radial loading[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2004, 46(12): 1783-1805. doi: 10.1016/j.ijmecsci.2004.11.004
    [3] KARAMANOS S A, ANDREADAKIS K P. Denting of internally pressurized tubes under lateral loads[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2006, 48(10): 1080-1094.
    [4] 李晨,闫秋实,李亮,等. 侧向冲击荷载作用下不锈钢管混凝土柱的力学性能研究[J]. 防护工程,2019, 41(6): 7-14.
    [5] 姜珊,路国运,杨会伟. 侧向冲击载荷下钢管混凝土结构的动力响应及参数分析[J]. 爆炸与冲击,2023, 43(11): 112203. doi: 10.11883/bzycj-2023-0039
    [6] 余同希,田岚仁,朱凌. 强脉冲载荷作用下结构塑性大变形的最大挠度直接预测[J]. 力学学报,2023, 55(5): 1113-1123. doi: 10.6052/0459-1879-22-607
    [7] 郭君,张文启,郭建军,等. 水下爆炸冲击波作用下单向加筋板的大挠度塑性变形[J]. 兵工学报,2015, 36(S1): 163-168.
    [8] 张新春,王俊瑜,汪玉林,等. 基于膜力因子法的方形锂离子电池冲击动力响应研究[J]. 应用数学和力学,2022, 43(11): 1203-1213.
    [9] YU T X, STRONGE W J. Large deflections of a rigid-plastic beam-on-foundation from impact[J]. International Journal of Impact Engineering, 1990, 9(1): 115-126. doi: 10.1016/0734-743X(90)90025-Q
    [10] 杨桂通. 弹塑性力学引论[M]. 北京: 清华大学出版社,2004: 55-58.
    [11] YOUNGDAHL C K. Correlation parameters for eliminating the effect of pulse shape on dynamic plastic deformation[J]. Journal of Applied Mechanics, 1970, 37(3): 744-752.
    [12] ZHU L, TIAN L R, CHEN F L, et al. A new equivalent method for complex-shaped pulse loading based on saturation analysis and membrane factor method[J]. International Journal of Impact Engineering, 2021, 158: 104018. doi: 10.1016/j.ijimpeng.2021.104018
    [13] REID S R, YU T X, YANG J L, et al. Dynamic elastic-plastic behaviour of whipping pipes: experiments and theoretical model[J]. International Journal of Impact Engineering, 1996, 18(7-8): 703-733. doi: 10.1016/S0734-743X(96)00034-6
    [14] 张荣. 建筑用圆钢管构件侧向冲击响应及失效机理[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2018.
    [15] FURNES O, AMDAHL J. Ship collisions with offshore platforms[C]. In: Proceedings of Intermaritec, Hamburg, Germany; 1980; 310–318.
    [16] 余同希,邱信明. 冲击动力学[M]. 北京: 清华大学出版社,2011: 199.
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-21
  • 修回日期:  2024-10-10
  • 刊出日期:  2025-02-15

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