地基沉降下管道的有限元應(yīng)力分析

2017-08-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

前段時間幫朋友看了一個分析,想想雖然是很基礎(chǔ)的靜力分析,但是卻挺有意思的,因此準備小小的總結(jié)一下,希望對有需要的伙伴提供幫助。論文的模型是參考期刊-《Numerical simulation of strength failure of buried polyethylene pipe under foundation settlement》中的分析模型,因此想對該問題進行更加細致的研究的伙伴,可以參照此文。

①分析背景

石油、天然氣管道多為埋地,而土壤常常又受到酸雨、地震等外界因素的影響導致塌陷,因此對埋地管道進行土壤塌陷情況下的應(yīng)力變形分析以合理的設(shè)計管道的結(jié)構(gòu)以及安裝具有指導意義。

②實際模型

如上所示,土體尺寸為長*寬*高:10m*3m*1.8m,管道外徑:110mm,厚度:10mm。其中土體有一半從上表面開始坍塌,坍塌深度為0.5m,試分析管道的應(yīng)力及變形情況。

③注意事項

①由于分析模型具有對稱性,因此這里只用建立一半模型即可。

②管道相對于整體來說過薄,因此使用殼體分析以節(jié)約計算量。

③邊界的設(shè)定主要基于圣維南定理,忽略遠處土體的影響,因此大部分邊界采用固定約束(具體加載見后)。

④幾何模型

三維模型的建立在任意三維建模軟件中進行,推薦使用solidworks(上手快,適用于新手)。其中土體采用實體進行建模,尺寸如上,內(nèi)部挖去安裝管道位置。管道由于后續(xù)使用殼體建模,因此這里只用建模出管道中面,中面直徑為100mm。其次,為了方便網(wǎng)格劃分,避免ansys中進行繁瑣的切分,因此這里在三維建模軟件中進行切分即可,切分好之后的模型如下:

⑤分析模型的建立

A.模型導入

將上述建立的三維模型另存為x_t格式文件,通過ansys窗口的file-import導入所有實體(包括實體以及面),并更改顯示方式為normal。需要注意的是,由于x_t默認是使用m作為建模單位導入,為了方便后續(xù)劃分網(wǎng)格和數(shù)據(jù)處理,這里統(tǒng)一使用mm,t,s單位制,因此導入的模型還需要進行放大處理,使用pre7-modeling-operate-scale對土體以及管道進行放大1000倍,得到mm單位制下的幾何模型。然后使用布爾操作glue將實體與實體,面與面進行邊界共用,以便后續(xù)網(wǎng)格劃分。

B.單元選擇

土體部分使用實體單元建模,使用ansys現(xiàn)在推薦的單元solid185,管道使用殼體單元建模,使用推薦單元shell181,在section選擇類型為shel,定義厚度為10mm。

C.材料屬性設(shè)定

根據(jù)論文所述,PE管道采用理想彈塑性本構(gòu)模型,參數(shù)如下:

土體采用Drucker-Drager材料本構(gòu),該材料模型能夠較好的模擬土體的力學性能,參數(shù)如下:

D.接觸設(shè)置

這部分接觸設(shè)置比較簡單,利用接觸向?qū)гO(shè)置土體與管道的接觸對即可,摩擦系數(shù)為0.15,管道設(shè)置為目標面,土體設(shè)置為接觸面,注意調(diào)整接觸對的法相方向并且考慮殼體的厚度(這里十分關(guān)鍵,否則無法設(shè)別實體與殼體的接觸對)。設(shè)置好后的接觸對如下: