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基于LS—DYNA海底悬空管道动力响应分析


龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 基于 LS—DYNA 海底悬空管道动力响应分 析 作者:董文乙 来源:《中国水运》2014 年第 06 期 摘 要:基于 ANSYS/LS-DYNA 动力学分析软件,引入非线性弹簧模拟管土接触,采用非 线性动力有限元法,对坠物撞击海底管道的过程进行数值仿真。根据计算结果,分析了撞击速 度、落物质量对管道塑性变形及动力

响应幅值的影响。 关键词:悬空管道 碰撞 凹陷变形 动力响应 海底管道服役期间,会受到坠落物体的碰撞,使管道损伤破坏,对于海底悬空管道还会引 起悬跨段在垂直方向上的振动。分析此类碰撞问题,不仅要考虑物体与管道接触,还要考虑管 土之间的相互作用,是一个高度非线性问题。现有的 DNV 规范规定了海底管道受到拖网鱼具 或外来物体冲击后的变形限制条件,给出了允许的最大永久变形的深度与管道外径的关系式, 但规范未考虑海床、坠落物等对能量的吸收情况,忽略碰撞过程中各种非线性因素对于碰撞分 析的影响。Wierzbicki 等人给出了考虑钢管初始轴向应力影响下,损伤深度与管道吸收能量的 计算公式,同时给出了不考虑剪切力条件下撞击力的计算公式。杨秀娟[4,5]采用三维非线性 有限元法模拟了海底管道受到坠物冲击碰撞的过程,分析了坠物形状、碰撞角度、摩擦效应、 混凝土厚度以及管道内压对撞击的影响。 对于海底管道碰撞损伤变形的数值模拟常采用有限元分析软件进行数值模拟。本文借助非 线性有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 来模拟海底悬空管道受锚击的动态响应过程,分析海底管 道悬跨段受坠物撞击部位的塑性变形及悬跨管段的动力响应,同时讨论撞击速度、落物质量对 管道塑性变形及动力响应幅值的影响。 海底悬空管道物理模型 1、模型参数 管道模型的参数设计参考海底管道工程设计参数,海底管道直径 0.508m,壁厚 0.0127 m。由于海流冲刷,海底管道出现悬空段,考虑管道与土的相互作用悬空段两端管土耦合边界 取 60 倍的管径,管道材料为 X 65,材料属性如表 1。由于坠落物体形状不一,将坠落物简化 为具有一定质量和初始速度的实心球体,半径取 0.312m,将附加水质量以密度的形式加到坠 落物体上。 表 1 管道与锚的材料属性 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 2、有限元模型 采用具有大变形分析功能的壳单元建立管道模型。悬空段两端管土的相互作用采用弹塑性 非线性弹簧来模拟;对于管土接触部分,在管道节点上连接定向非线性土弹簧;对管土耦合段 管道两端采用等效边界,即以非线性弹簧的形式加在管道模型的两端,代替离悬空段较远处直 线段管道的变形影响;悬空管道单元采用壳单元 SHELL163 单元,坠落物采用 SOLID164 单 元,建立刚体模型,非线性弹簧单元采用 COMBI165 单元。 海底悬空管道落物撞击过程数值模拟 采用 ANSYS/LS-DYNA 有限元动力分析软件对海底悬空管道锚击过程进行数值模拟。在 ANSYS/LS-DYNA 前处理中建立管道-落物的接触碰撞有限元模型、加载并建立海底管道悬空 段与锚撞击的主从接触面,生成 K 文件后提交给 LS-DYNA 求解器进行求解计算。 1、计算结果准确性验证 选取文献中关于管道吸收能量与管道凹陷值的公式计算管道的最大变形值,并同本文的仿 真模拟结果进行对比。对比结果如图 1,由图可知,模拟结果与经验公式的计算结果相比,曲 线变化的趋势是一致的,计算值偏小。 2、管道凹陷变形时程分析 落物重为 1000Kg,锚击速度为 8m/

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