长输油管道跨越工程中几个问题的计算研究

论文摘要

输油管道是国家能源的大动脉之一,其安全运营对国家经济发展的影响重大,而我国穿(跨)越河流输油管道在长距离输油管道工程中有相当比例。在管道工程中,管道穿(跨)段往往是最难设计的,而且也是在运营中最容易破坏的,它是管道设计中的重大设计课题之一。本文在文献综述的基础上,分析了管道工程中的几个典型问题,首先从管道工程中的重力分析作起,应用材料力学、动力学和有限元相结合的方法分析了重力、风载荷、管道截面变形和跨越管道中的碰撞问题,在分析的过程中建立了数学模型并给出实例分析,证明了所建模型及求解方法的正确性和实用性。本文的重点内容是风载荷、圆卡环变形问题和碰撞问题的研究,在载荷和碰撞问题上脱离了传统用到的系数估计法,采用有限元方法对风荷载和管道碰撞进行仿真分析,反映了管道在真实问题中的响应,为管道工程中偶然载荷的解决方法提供思路和解决途径,建立管道工程中可变载荷分析方法,而圆环变形问题则是将管道变形问题抽象化为一个普遍问题,求出解析解,利用有限元方法加以验证,尽可能地对管道问题进行科学的有效的分析。本文的研究方法主要是有限元法,尤其是其中的动力学模块,结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或者部件的影响。相对静力学分析,动力学分析要考虑随时间变化的力载荷以及阻尼和惯性的影响,ANSYS可以进行的结构动力学分析类型有瞬态分析,动力分析,模态分析,谱响应分析以及随机振动分析。在理论分析的基础上,运用有限元方法对管道中的静力学和动力学问题进行仿真,并进行对比分析,从而使结论更加合理化和科学化,在整个分析过程中,采用APDL语言编制了各个问题的ANSYS程序,便于进行管道类似问题的分析处理,详细见附录。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 跨越输油管道工程概述
• 1.1.2 研究目的
• 1.1.3 课题的主要观点
• 1.2 本课题的意义、研究方法和内容
• 1.2.1 课题的意义
• 1.2.2 本课题的研究内容和方法
• 第二章 石油管道在重力载荷作用下结构响应
• 2.1 管道重力分析概述
• 2.2 材料力学分析管道重力载荷
• 2.3 有限元理论介绍
• 2.3.1 有限元方法介绍
• 2.3.2 有限元法的特点
• 2.3.3 有限元法分析步骤
• 2.4 有限元模型建立
• 2.5 实例对比分析
• 2.5.1 分析管道参数设计
• 2.5.2 管道的反力、应力和变形
• 2.6 小结
• 第三章 管道在风载荷下的响应分析
• 3.1 管道风载荷影响因素分析
• 3.1.1 基本原因分析
• 3.1.2 管道结构强度、位移和加速度、角速度限值
• 3.1.3 管道系统结构的计算简化原则
• 3.1.4 长输油管道系统抗风分析方法
• 3.1.5 长输油管道系统自振频率、周期和振型计算的基础理论
• 3.2 长输油管道风载荷的有限元分析
• 3.2.1 风载荷理论推导风荷载
• 3.2.2 计算参数和载荷
• 3.2.3 有限元模型
• 3.2.4 等效静力学分析
• 3.2.5 管道的模态分析
• 3.2.6 管道风载荷的瞬态分析
• 3.3 小结
• 第四章 圆环变形问题的理论解和有限元解
• 4.1 问题的提出
• 4.2 物理模型
• 4.2.1 边界条件
• 4.2.2 几何变形关系
• 4.3 压力计算
• 4.4 模型修正系数β及应力计算
• 4.5 计算实例
• 4.5.1 材料力学解
• 4.5.2 有限元解
• 4.6 对比分析
• 4.7 小结
• 第五章 漂浮物撞击管道下的非线性动力学响应分析
• 5.1 问题的提出
• 5.2 理论初步分析
• 5.2.1 动力学性质初步分析
• 5.2.2 地基梁理论
• 5.3 破坏机理
• 5.4 内空管道冲击分析
• 5.5 有限元LS-DYNA分析
• 5.5.1 LS-DYNA软件功能介绍
• 5.5.2 LS-DYNA与管道碰撞问题描述
• 5.5.3 弹性动力学基本方程
• 5.5.4 有限元仿真分析
• 5.6 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录