球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法技术

本发明专利技术提供一种球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法，包括如下步骤：步骤1、确定球墨铸铁分段管道的承口、插口和橡胶垫圈的公称尺寸，创建三维有限元模型；步骤2、基于有限元模拟球墨铸铁分段管道滑入式接口的轴向拉拔及四节点弯曲拟静力加载试验，施加载荷和边界条件，得到球墨铸铁分段管道接口的轴向抗拉性能及横向抗弯性能；步骤3、计算不同管径球墨铸铁分段管道滑入式接口的抗拉弯性能，分析得到基于管径的所述球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测模型。本发明专利技术可以高效地预测不同管径球墨铸铁分段管道滑入式接口的抗拉弯性能，为长距离输送埋地球墨铸铁分段管道的防灾减灾设计提供参考依据。管道的防灾减灾设计提供参考依据。管道的防灾减灾设计提供参考依据。

【技术实现步骤摘要】
球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法


[0001]本专利技术涉及长距离分段管道抗拉弯性能有限元模拟领域，尤其是涉及一种球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法。

技术介绍

[0002]埋地管线常用于水、燃气、石油等城市正常运转所必需介质的长距离输送，是生命线工程的重要组成部分。在面对地震、滑坡、土壤液化等自然灾害时，埋地管道的结构安全性是当前城市基础设施建设中亟待解决的重要问题之一。埋地分段管道的接口在瞬时或永久地面变形作用下产生的破坏现象尤为显著，甚至会引发火灾等次生灾害，影响到城市的救灾和恢复工作。分段管道接口的抗拉弯性能是对长距离输送分段管道进行结构安全评价的基础，对分段管道接口抗拉弯性能的研究至关重要。
[0003]带有滑入式接口的球墨铸铁分段管道是应用较为广泛的一种输送管道，此类管道易于安装且造价相对较低。在对长距离埋地球墨铸铁分段管道进行抗灾性能研究时，需要分析足够长的管道才能满足精度要求，建立管道及其接口的精细有限元模型工作量大，单元数量多，计算效率低。O
’
Rourke[1，3]等开发了一种有限元模拟方法研究分段管道在地面位移荷载作用下的响应，管道采用梁单元模拟，接口由非线性弹簧单元代替，非线性弹簧单元所需的接口抗拉、抗弯刚度是分段管道抗变形设计的重要依据。然而，目前针对球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能的研究主要集中在小管径管道的室内试验，针对大管径管道接口抗拉弯性能的试验资料欠缺且需要耗费大量的人力物力资源。
[0004]因此，有必要结合试验资料基于数值模拟方法评估不同管径接口的轴向抗拉和横向抗弯性能，并提出一种可以高效预测不同管径球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能的预测方法，以克服上述问题。

技术实现思路

[0005]为了避免上述问题，提供了一种球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法，补充了球墨铸铁分段管道滑入式接口的抗拉弯性能资料，可以高效地预测不同管径球墨铸铁分段管道滑入式接口的抗拉弯性能，为长距离输送埋地球墨铸铁分段管道的防灾减灾设计提供参考依据。
[0006]本专利技术提供的一种球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法，所述球墨铸铁分段管道包括承口、插口和橡胶垫圈，其特征在于，包括如下步骤：
[0007]步骤1、确定球墨铸铁分段管道的承口、插口和橡胶垫圈的公称尺寸，创建三维有限元模型，并赋予所述承口、插口和橡胶垫圈的材料属性和相互作用属性；
[0008]步骤2、基于有限元模拟球墨铸铁分段管道滑入式接口的轴向拉拔及四节点弯曲拟静力加载试验，施加载荷和边界条件，得到球墨铸铁分段管道接口的轴向抗拉性能及横向抗弯性能；
[0009]步骤3、计算不同管径球墨铸铁分段管道滑入式接口的抗拉弯性能，对计算结果进
三个特征参数的横向双线性简化模型；
[0031]基于不同管径所述接口抗拉弯性能的计算结果对所述特征参数进行一元回归分析，得到所述球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测模型为：
[0032]Fn＝325.6DE2‑
114.29DE+19.41 R2＝0.9848：
[0033]U0＝13.223DE+3.37 R2＝0.9734；
[0034]K1＝0.07564e
4.166DE R2＝0.9979；
[0035]K2＝91.971DE2‑
9.0911DE+1.5849 R2＝0.9953；
[0036]式中：Fn代表所述接口的峰值轴向拉力，单位为kN；U0代表所述接口达到峰值轴向拉力时的轴向位移，单位为mm；K1代表所述接口相对旋转角度达到允许旋转角θ1之前的抗弯刚度，单位为kN
·
m/
°
；K2代表所述接口相对旋转角度超过允许旋转角θ1之后的抗弯刚度，单位为kN
·
m/
°
；DE代表所述球墨铸铁分段管道的管道外径，单位为m；R2代表拟合优度确定系数；
[0037]基于所述球墨铸铁分段管道滑入式接口的抗拉弯性能预测模型和管道外径，求得所述接口轴向、横向双线性简化模型所需特征参数，得到所述接口的轴向抗拉、横向抗弯性能曲线。
[0038]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0039](1)大管径球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能试验资料欠缺、试验开展困难、成本较高，本专利技术所提有限元模拟方法相比较传统试验方法成本低廉，同时也能对各个区域、各个测点进行应力应变分析；
[0040](2)球墨铸铁分段管道各部件在制造过程中有一定的尺寸公差，本专利技术所提有限元方法能够分析球墨铸铁分段管道各部件的尺寸偏差对接口抗拉弯性能的影响；
[0041](3)长距离输送管道管径分布广，球墨铸铁分段管道滑入式接口的抗拉、抗弯刚度是长距离输送管道防灾减灾设计的重要依据，本专利技术所提球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法可以高效地预测不同管径接口的抗拉弯性能。
[0042]综上，本专利技术可以得到不同管径球墨铸铁分段管道滑入式接口的抗拉弯性能，补充接口的抗拉弯性能资料，降低试验成本，对不同工况条件下埋地长距离球墨铸铁分段管道的性能评估有着重要的实用价值。
附图说明
[0043]图1为本专利技术一优选实施例的球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法的具体流程示意图；
[0044]图2为本专利技术实施例提供的公称直径200mm带有滑入式接口的球墨铸铁分段管道三维有限元模型的示意图；
[0045]图3为本专利技术实施例提供的公称直径200mm球墨铸铁分段管道滑入式接口在轴向拉力作用下的轴向拉力
‑
轴向位移关系及其双线性简化模型图；
[0046]图4为本专利技术实施例提供的公称直径200mm球墨铸铁分段管道滑入式接口在横向弯曲荷载作用下的弯矩
‑
接口相对转角关系及其双线性简化模型图；
[0047]图5为本专利技术实施例提供的不同管径球墨铸铁分段管道滑入式接口轴向双线性简化模型特征参数计算结果图；
[0048]图6为本专利技术实施例提供的不同管径球墨铸铁分段管道滑入式接口横向双线性简化模型特征参数计算结果图。
具体实施方式
[0049]下面结合附图和实施例对本专利技术的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不能用来限制本专利技术的范围。
[0050]本专利技术所提有限元模拟方法以公称直径200mm的球墨铸铁分段管道滑入式接口为实施例，并结合附图，对本专利技术提出的技术方案做进一步阐述。
[0051]如图1所示是本专利技术实施例提供的一种球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能简化预测方法的具体流程图。
[0052]本专利技术实施例提供的一种球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能简化预测方法，包括以下步骤：
[0053]S1：启动ABAQUS软件，如图2所示，根据CAE方式旋转创建三维有限元模型。在PROPERTY模块中，向ABAQUS提供图2所示橡胶垫圈踵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法，所述球墨铸铁分段管道包括承口、插口和橡胶垫圈，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、确定球墨铸铁分段管道的承口、插口和橡胶垫圈的公称尺寸，创建三维有限元模型，并赋予所述承口、插口和橡胶垫圈的材料属性和相互作用属性；步骤2、基于有限元模拟球墨铸铁分段管道滑入式接口的轴向拉拔及四节点弯曲拟静力加载试验，施加载荷和边界条件，得到球墨铸铁分段管道接口的轴向抗拉性能及横向抗弯性能；步骤3、计算不同管径球墨铸铁分段管道滑入式接口的抗拉弯性能，对计算结果进行一元回归分析，得到基于管径的所述球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测模型。2.如权利要求1中所述球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法，其特征在于：步骤1中，是根据ABAQUS中的CAE方式创建三维有限元模型，其包括：启动ABAQUS软件；向ABAQUS提供橡胶垫圈的踵部部分和球部部分的单轴试验数据，采用一阶Ogden模型拟合所述踵部部分的输入试验数据，采用二阶多项式模型拟合所述球部部分的输入试验数据；采用C3D8R单元类型将所述承口、插口三维模型划分为六面体单元，采用C3D8RH单元类型将所述橡胶垫圈三维模型划分为六面体单元；设置所述承口、插口和橡胶垫圈之间的接触和摩擦；所述橡胶垫圈采用任意拉格朗日欧拉自适应网格划分技术。3.如权利要求2中所述球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法，其特征在于：承口、插口和橡胶垫圈之间的接触和摩擦的设置如下：所述橡胶垫圈底部与所述承口绑定约束，所述承口、插口和橡胶垫圈之间的接触模型采用面
‑
面接触，法向接触行为硬接触，切向接触行为罚摩擦。4.如权利要求1中所述球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法，其特征在于：步骤2中，轴向拉拔静力加载试验包括：创建2个静力分析步，所述插口端部表面创建积分输出截面；施加载荷和边界条件，包括：对称面施加对称边界条件，在第一个分析步中所述承口端部施加固定边界条件，所述插口端部施加轴向位移荷载压缩未变形的橡胶垫圈，在第二个分析步中所述承口端部施加固定边界条件，所述插口端部施加轴向位移荷载拔出插口，提交计算；输出所述积分输出截面的轴力，得到所述接口的轴向拉力
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轴向位移关系。5.如权利要求1中所述球墨铸铁分段管道滑入式接口抗拉弯性能预测方法，其特征在于：步骤2中，四节点弯曲拟静力加载试验包括：创建3个静力分析步，所述承口、插口靠近接口位置表面创建积分输出截面；所述承口、插口端面中心创建参考点，所述承口、插口端面与其对应参考点创...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜文琪，赵宁，李典庆，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：