一种弯管组合段临界应变能力的评估方法和装置

本文涉及管道受力分析，尤其涉及一种弯管组合段临界应变能力的评估方法和装置。

背景技术：

1、管道运输是石油与天然气的主要输送方式之一，为满足不同地区对碳氢化合物的高需求，管道不可避免地敷设于复杂地质条件下。现有技术中，可以根据轴向载荷和内压的应力分布计算管道的受力状态，但是由于复杂的地势条件，需要通过弯管改变管道走向和方向，以到达输送目的，而受到弯管弯曲曲率的影响，在内压作用下弯管处局部应力分布不均匀，当组合载荷作用于弯管附近时，大大增加了管道失稳风险。

2、现在亟需一种弯管组合段临界应变能力的评估方法，从而计算复杂载荷作用下弯管组合段局部屈曲失效时临界应变能力，提高现场弯管组合段的结构稳定性评估技术的可靠性。

技术实现思路

1、为解决现有技术中不能计算弯管处的局部受力状态，导致无法确定弯管组合段的临界应变能力的问题，本文实施例提供一种弯管组合段临界应变能力的评估方法和装置，实现了在弯管管段受到组合载荷作用时，对弯管管道进行安全评估，提高现场弯管组合段的结构稳定性评估技术的可靠性，解决了在复杂载荷作用下无法评估弯管组合段局部屈曲失效时临界应变能力。

2、为了解决上述技术问题，本文的具体技术方案如下：

3、一方面，本文实施例提供了一种弯管组合段临界应变能力的评估方法，包括，

4、根据管道尺寸、材料参数，通过ramberg-osgood本构模型拟合得到管道的应力-应变曲线，其中所述管道包括第一段直管、弯管和第二段直管在内的三个管段；

5、根据所述应力-应变曲线构建管道有限元模型，并施加组合载荷；

6、根据施加的组合载荷得到管道的载荷-位移曲线，确定弯管管段到达临界屈曲状态的载荷；

7、在临界屈曲状态下提取所述第一段直管和第二段直管应变平稳段的轴向方向应变；

8、计算应变平稳段的轴向方向应变的平均值作为所述管道的临界应变。

9、进一步地作为本说明书的一个实施例，获取所述管道尺寸和材料参数进一步包括，

10、管道直径、壁厚、钢级、弹性模量e、泊松比v、屈服强度σy和极限拉伸强度σu。

11、进一步地作为本说明书的一个实施例，所述的ramberg-osgood本构模型进一步包括，ramberg-osgood本构模型表达式为

12、

13、式中，ε为真实应变；σ为真实应力；e为弹性模量；σy为屈服强度；α为材料硬化系数，n为材料硬化指数。

14、进一步地作为本说明书的一个实施例，根据所述应力-应变曲线构建有限元模型进一步包括，

15、选择管段的单元类型，并添加材料参数；

16、对所述管道的三个管段进行网格划分；

17、设置网格的边界条件并在所述管道上施加组合载荷。

18、进一步地作为本说明书的一个实施例，所述组合载荷及施加组合载荷进一步包括，

19、所述组合载荷包括管道内压、由偏心轴向压缩位移产生的轴向载荷以及弯矩载荷；所述施加组合载荷包括，对管道内表面施加所述管道内压，对管道端面施加所述由偏心轴向压缩位移产生的轴向载荷以及弯矩载荷。

20、进一步地作为本说明书的一个实施例，所述管道内压进一步包括，

21、通过p/py表示，其中py为引起环向应力达到材料屈服应力时的内压，计算公式如下式所示：

22、

23、式中，t为管道壁厚，d为管道外径，σy为屈服强度。

24、进一步地作为本说明书的一个实施例，所述偏心轴向压缩位移产生所述轴向载荷以及弯矩载荷进一步包括，

25、轴向载荷以及弯矩载荷表达式如下所示：

26、

27、式中，u0表示均布载荷系数；u1为交变载荷系数；i为直管端面的第i个节点，取值区间为[1,n]；n为端面加载点个数；a为载荷偏心系数。

28、进一步地作为本说明书的一个实施例，临界屈曲状态进一步包括，所述临界屈曲状态为载荷-位移曲线中载荷为最大值时的屈曲状态，载荷随位移增加呈现先增大后减小的特征。

29、进一步地作为本说明书的一个实施例，应变平稳段进一步包括，

30、所述应变平稳段为第一段直管和第二段直管应变变化平缓的区域；所述轴向方向应变为应变平稳段的轴向应变，且该轴向方向为-(a×180)，其中a为偏心载荷系数。

31、进一步地作为本说明书的一个实施例，临界应变为应变平稳段的平均应变进一步包括，

32、应变平稳段的平均应变计算公式如下：

33、

34、式中，εi为管道的应变趋稳段第i个节点的轴向压缩应变；i为轴向方向的节点，取值范围为[1,n]；n为应变趋稳段的节点总数。

35、另一方面，本文实施例还提供了一种弯管组合段临界应变能力的评估装置，包括，

36、应力-应变曲线获取单元，用于根据管道尺寸、材料参数，通过ramberg-osgood本构模型拟合得到管道的应力-应变曲线，其中所述管道包括第一段直管、弯管和第二段直管在内的三个管段；

37、建立有限元模型单元，用于根据所述应力-应变曲线构建管道有限元模型，并施加组合载荷；

38、确定临界屈曲单元，用于根据施加的组合载荷得到管道的载荷-位移曲线，确定弯管管段到达临界屈曲状态的载荷；

39、提取临界应变单元，用于在临界屈曲状态下提取所述第一段直管和第二段直管应变平稳段的轴向方向应变；

40、计算临界应变单元，用于计算应变平稳段的轴向方向应变的平均值作为所述管道的临界应变。

41、另一方面，本文实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器、以及存储在所述存储器上的计算机程序。

42、另一方面，本文实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序。利用本文实施例，实现了计算复杂载荷作用下弯管组合段局部屈曲失效时临界应变能力，提高了现场弯管组合段的结构稳定性评估技术的可靠性。根据管道尺寸、材料参数及弯管曲率半径，后利用ramberg-osgood本构模型拟合得到材料的应力-应变曲线，不仅考虑了弯管区域的应力分布不均匀问题，并且还原了现场管道的局部屈曲褶皱形态，构建弯管组合段有限元模型，并施加组合载荷，且利用构建弯管组合段有限元模型的方法得到管道临界屈曲状态下的轴向应变，并以应变平稳段的平均应变为管段的临界应变，进而求得管段的临界应变能力，能够为管道系统中弯管组合段结构稳定性评估提供准确的依据。解决了现有技术中没有复杂载荷作用下弯管组合段局部屈曲失效时，临界应变能力的评估方法的问题。

技术特征：

1.一种弯管组合段临界应变能力的评估方法，其特征在于包括，

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管道尺寸包括管道直径、壁厚；所述材料参数包括钢级、弹性模量e、泊松比v、屈服强度σy和极限拉伸强度σu。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的ramberg-osgood本构模型表达式如下所示：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述应力-应变曲线构建有限元模型进一步包括，

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述组合载荷包括管道内压、由偏心轴向压缩位移产生的轴向载荷以及弯矩载荷；所述施加组合载荷包括，对管道内表面施加所述管道内压，对管道端面施加所述由偏心轴向压缩位移产生的轴向载荷以及弯矩载荷。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述管道内压通过p/py表示，其中py为引起环向应力达到材料屈服应力时的内压，计算公式如下式所示：

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，偏心轴向压缩位移产生所述轴向载荷以及弯矩载荷，表达式如下所示：

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述临界屈曲状态为载荷-位移曲线中载荷为最大值时的屈曲状态，载荷随位移增加呈现先增大后减小的特征。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述临界应变为应变平稳段的平均应变，其计算公式如下：

10.一种弯管组合段临界应变能力的评估装置，其特征在于，包括，

技术总结
本文涉及管道受力分析技术领域，尤其涉及一种弯管组合段临界应变能力的评估方法和装置。其方法包括，根据管道尺寸、材料参数，通过Ramberg‑Osgood本构模型拟合得到管道的应力‑应变曲线；根据应力‑应变曲线构建管道有限元模型，并施加组合载荷；得到管道的载荷‑位移曲线，确定弯管管段到达临界屈曲状态的载荷；在临界屈曲状态下提取所述第一段直管和第二段直管应变平稳段的轴向方向应变；计算应变平稳段的轴向方向应变的平均值作为所述管道的临界应变。通过本文实施例，实现了计算复杂载荷作用下弯管组合段局部屈曲失效时临界应变能力，提高了现场弯管组合段的结构稳定性评估技术的可靠性。

技术研发人员：帅健,张怡,帅义,任飞,梅苑,张铁耀,谢冬
受保护的技术使用者：中国石油大学(北京)
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12