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高能管道压扁型约束件动态冲击试验与仿真分析

内容来源:机械设计与制造工程杂志      浏览次数:86      更新时间:2021-09-10

陈〓涛1,何〓钢1,张〓跃2,王高阳3,钱雪松1,钱亚鹏4
1.河海大学机电工程学院,江苏 常州〓213022)
(2.生态环境部核与辐射安全中心,北京〓100082)
(3.上海核工程研究设计院有限公司,上海〓200233)
(4.常州格林电力机械制造有限公司,江苏 常州〓213119)
摘要:为评估高能管道断裂甩击下压扁钢管型约束件的动态性能,搭建气液联控式试验台模拟管道甩击过程,并利用ANSYS软件对该试验过程进行数值仿真,通过试验与仿真中的位移、速度和支反力时程曲线的对比分析,验证了数值仿真模型的可靠性。在此基础上,采用数值仿真方法研究约束件几何参数、冲击位置对其吸能特性及力学性能的影响规律。结果表明:在冲击过程中约束件的最大变形量、吸能量随直径增大而增大,随壁厚的增大而减小;支反力峰值、能量吸收速率随壁厚增大而增大,随直径增大而减小;冲击位置越靠近约束件两端变形量越大,支反力越小,能量吸收速率越慢。
关键词:高能管道;压扁钢管型约束件;动态性能;数值仿真
中图分类号:TM623〓〓〓文献标识码:A〓〓〓文章编号:2095-509X(2021)07-0009-06


核能作为一种经济、可靠的能源,近年来得到迅速发展,但与此同时也发生了诸如福岛、三英里岛等严重的核安全事故,因此国内外对核电安全均提出了更高的标准和要求。核电站的常规岛和核岛均布置有输送高温高压流体的高能管道,它们由于常年服役在恶劣的环境中,极有可能发生断裂造成管道高速甩动形成管鞭[1],对管道周围的设备造成严重破坏。因此设置防甩约束件,并分析约束件对管道甩击能的吸收规律,对保障核电站安全运行意义重大。
国内外学者针对管道甩动问题开展了大量研究工作。在理论分析方面,Shaw等[2]基于最小二乘法求解了悬臂管在脉冲力作用下鞭打运动的偏微分控制方程;张步岭等[3]根据能量平衡法给出了防甩支架承受力的理论估算公式;张兴田等[4]根据优化的力学模型,给出了适用于U型箍和H型防甩约束件设计与校核的双线性方法。在仿真方面,Nicola[5]利用ANSYS/Explicit程序对高能管道冲击钢筋混凝土过程进行了数值模拟,发现将刚性结构作为防甩装置易对管道造成二次破坏;Luo等[6]详细讨论了U型箍安装位置、安装间隙等参数对管道动力学行为的影响。在试验方面,Yang等[7]利用弹簧释能带动试验管道旋转来模拟管道的甩击过程,探讨了管道壁厚和撞击位置对靶管失效模式的影响;Reid等[8]在气动设备上进行了管道激振实验,考察了在推力作用下管道的甩动范围。Peng等[9]采用电液伺服加载系统对管道进行静力加载,模拟了管道破裂后冲击荷载对剪力墙-限位器系统的影响。
本文搭建了气液联控式试验台进行管道甩击模拟,并以试验数据为基础,建立了准确的有限元模型,详细研究了各设计参数对约束件的吸能特性、变形情况以及支反力的影响规律。〖

1〓动态冲击试验
1.1〓管道-约束件系统简化
本文以管道环向破裂为例,图1中A、B横截面为两个假想的破口位置,F为相应的喷射载荷,h为压扁钢管型约束件与管道之间的初始间隙。


当管道在A处发生环向破裂时将管道简化为具有均匀横截面的悬臂梁。如图2所示,其中管道右端进行固定约束,自由端受到喷射载荷F的作
用,l为直管段长度,l1为约束件中心与旋转支点的
水平距离,θ为管道在整个甩击过程中转过的角〖CM)〗

作者简介:陈涛(1994—),男,硕士研究生,主要从事动力学、结构优化设计等研究工作,3243972894@qq.com.
通讯作者:何钢,男,副教授,ihegang@163.com.

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