多层结构直埋热水供热管道应力原位实验及热-力耦合有限元分析

摘要

直埋热水供热管道由于受到周围土壤的位移约束作用，导致管道工作升温时其内层钢管的热膨胀力得不到完全释放，从而在钢管中会产生很大的应力。钢管应力过大会影响管道寿命和相关市政设施的安全。本论文针对直埋热水供热管道与土壤相互作用的复杂性，围绕多层结构直埋热水供热管道的应力特性展开研究。首先，利用直埋热水供热管道应力分析原理对大口径直埋热水供热管道进行了原位实验，并对聚氨酯保温材料的力学性能参数进行了实验测定；其次，利用大型通用有限元软件ANSYS建立了多层结构直埋热水供热管道及单层结构直埋热水供热管道的热-力耦合有限元模型；最后，应用该模型对直管段及管件的应力特性进行了全面计算分析，得到了一些有价值的成果。
　　本研究主要内容包括：⑴通过在管道表面粘贴金属应变片的方法，采用无线远传技术对首次运行的直埋热水供热管道进行了一个采暖季的应力测试，得到了管道截面应力变化和管土摩擦系数变化规律。⑵鉴于现行分析方法未考虑聚氨酯对多层结构直埋热水供热管道的影响，因此提出了单轴压缩实验以测试聚氨酯力学性能，得到了聚氨酯的力学性能特性和参数。⑶利用大型通用有限元软件ANSYS，建立了管土热-力耦合有限元模型，分析了直管及管件的应力变化规律。⑷基于管土热-力耦合有限元模型给出了直埋热水供热管道的应力验算具体方法，通过管土作用分析对管件的接管长度进行了简化。研究表明：弯头内压一次应力与直管不同，应进行验算；弯头二次应力、三通一次应力和二次应力均应采用管土热-力耦合有限元模型进行验算；长弯臂对弯头的作用可以用位移荷载替代，长接管对三通的作用可以用力荷载替代。

目录

声明

主要符号说明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2直埋热水供热管道技术的国内外研究现状

1.3研究内容

1.4研究方法

第二章直埋供热管道应力分析理论

2.1失效准则和应力验算

2.2埋管土压力

2.3管道结构及材料性能

2.4土力学模型

2.5本章小结

第三章直埋供热管道应力原位实验

3.1测试目的

3.2应变测试原理

3.3应变片热输出标定

3.4应变测试系统

3.5原位实验结果及分析

3.6本章小结

第四章直埋供热管道热-力耦合有限元模型

4.1弹性力学基本方程

4.2物理模型

4.3聚氨酯性能参数实验

4.4本章小结

第五章直埋供热管道热-力耦合有限元分析

5.1直管段有限元分析

5.2弯头管段有限元分析

5.3三通管段有限元分析

5.4折角管段有限元分析

5.5本章小结

第六章直埋供热管道应力验算方法

6.1直管段应力验算

6.2弯头管段应力验算

6.3三通管段应力验算

6.4折角管段应力验算

6.5本章小结

结论

主要研究结论

本文创新点

参考文献

附录一：ANSYS分析部分命令流

附录1.1 单层管道过渡段弹性土壤作用

附录1.2 单层管道过渡段线性土弹簧作用

附录1.3 单层管道过渡段非线性土弹簧作用

附录1.4 多层管道过渡段非线性土弹簧作用

附录二：数值模拟结果

攻读学位期间取得的研究成果

致谢