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车辆载荷下PE燃气管道的虚拟仿真技术及其动力响应分析

王威翔, 姚安林, 徐涛龙, 代强, 古芃

王威翔, 姚安林, 徐涛龙, 代强, 古芃. 车辆载荷下PE燃气管道的虚拟仿真技术及其动力响应分析[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 333-339. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S028
引用本文: 王威翔, 姚安林, 徐涛龙, 代强, 古芃. 车辆载荷下PE燃气管道的虚拟仿真技术及其动力响应分析[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 333-339. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S028
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WANG Wei-xiang, YAO An-lin, XU Tao-long, DAI Qiang, GU Peng. VIRTUAL SIMULATION TECHNOLOGY AND DYNAMIC RESPONSE ANALYSIS OF PE GAS PIPELINE UNDER VEHICLE LOAD[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 333-339. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S028
Citation: WANG Wei-xiang, YAO An-lin, XU Tao-long, DAI Qiang, GU Peng. VIRTUAL SIMULATION TECHNOLOGY AND DYNAMIC RESPONSE ANALYSIS OF PE GAS PIPELINE UNDER VEHICLE LOAD[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 333-339. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.05.S028
shu

车辆载荷下PE燃气管道的虚拟仿真技术及其动力响应分析

  • 1.

    西南石油大学石油与天然气工程学院，四川，成都 610500

  • 2.

    资阳港华燃气有限公司，四川，资阳 641300

  • 3.

    中国石化新疆煤制天然气外输管道有限责任公司，北京 100020

详细信息
    作者简介:

    王威翔(1995−)，男，浙江宁波人，硕士生，从事油气管道风险评价及完整性管理等研究(E-mail: 550954460@qq.com)

    姚安林(1959−)，男，四川三台人，教授，学士，从事油气管道风险评价及完整性管理等研究与教学工作(E-mail: yaoalt@sina.com)

    代　强(1983−)，男，四川安岳人，工程师，学士，从事燃气管网规划设计及工程质量管理等工作(E-mail: dq20082008@126.com)

    古　芃(1991−)，男，河南南阳人，硕士生，从事油气管道风险评价及完整性管理等研究(E-mail: 245371008@qq.com)

    通讯作者:

    徐涛龙(1984−)，男，浙江诸暨人，讲师，博士，从事管线力学及油气管道风险评价等研究(E-mail： swpuxtl@163.com)

  • 中图分类号: TU996.7；O34

VIRTUAL SIMULATION TECHNOLOGY AND DYNAMIC RESPONSE ANALYSIS OF PE GAS PIPELINE UNDER VEHICLE LOAD

  • 1.

    College of Petroleum & Natural Gas Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu, Sichuan 610500, China

  • 2.

    Ziyang Towngas Limited Company, Ziyang, Sichuan 641300, China

  • 3.

    Sinopec Xinjiang Synthetic Natural Gas Pipeline Transportation Co.Ltd, Beijing 100020, China

摘要

    摘要
  • 摘要: 当前，城镇燃气管道受车辆碾压造成的事故时有发生，为分析车辆载荷下PE燃气管道的动力响应，借助虚拟样机系统仿真软件ADAMS并结合有限元分析软件研究车辆的运动载荷及受载埋地PE燃气管道的力学特征。建立车辆-路面-土体-管道模型，根据实测值对仿真结果进行了验证。基于虚拟样机系统仿真提取的车辆动态载荷谱，分析PE燃气管道的动力响应过程，并开展不同车重、不同车速下埋地PE燃气管道的动力响应规律研究。结果表明：管体所受的应力及其位移量随着车重的增大而增大；管体所受应力随着车速的增大而增大，而其位移量随着车速的增大而减小。
    Abstract: In order to analyze the dynamic response of PE gas pipeline under vehicle loading, the virtual prototype system simulation software ADAMS and the finite element analysis software are used to study vehicle moving loads and the mechanical characteristics of buried PE gas pipeline under the loads. A vehicle-pavement-soil-pipeline model is established, and the simulation results are verified by measured values. Based on the vehicle dynamic load spectrum extracted by virtual prototype system simulation, the dynamic response process of PE gas pipeline is analyzed, and the dynamic response law of buried PE gas pipeline under different vehicle weights and speeds is studied. The results show that: the stress and displacement of the tube increases with the increase of vehicle weight; the stress on the pipe increases with the increase of the vehicle speed, and its displacement decreases with the increase of the vehicle speed.
    • HTML全文

  • 聚乙烯(polyethylene，简称PE)管道具有耐化学腐蚀性、柔韧性、使用寿命长等优点，在城镇中低压燃气管网建设中被广泛应用[1]。随着城镇建设加快，城镇道路车流量逐渐增大且超载车辆最大超载额可达200%，由于PE管道机械强度相对于钢管较低，抗压性不好，车辆载荷已经成为影响PE燃气管道安全的最主要动载荷之一。

    车辆载荷下埋地管道的力学分析方法有Marston理论和Boussinesq理论[2]，但是由于PE管道的粘弹特性，使用传统的分析方法已然不能满足精度要求。针对PE管道的材料属性，国外已有学者通过Boltzmann遗传积分在恒速加载下研究了PE管的位移与时间的关系[3]；国内部分学者通过maxwell模型和遗传算法结合共轭梯度法模拟了PE材料的松弛曲线[4]。

    在数值模拟方面，郑绵彬等[5]建立了车辆载荷下聚乙烯管道的失效率计算模型，用来获得不同埋深和内外载荷共同作用下聚乙烯管道的失效概率；董冬冬等[6]基于现场足尺试验和数值模拟，研究了交通载荷作用下埋地PE管道附加弯矩的影响因素及变化规律；李明阳等[7]用ANSYS对交通载荷作用下的埋地聚乙烯管道进行了瞬态模拟，分析了不同覆土厚度对管道的影响。但是目前的研究大多使用的车辆载荷模型为简化后的均布载荷或波动载荷[8]，因此本研究基于虚拟样机系统仿真软件ADAMS进行整车动力学分析，准确提取各车轮的载荷谱，结合有限元分析软件研究PE管道的力学特征。

    1   基于虚拟样机技术的三轴重型卡车动态载荷分析

    1.1   车辆-路面模型建立

    为获得三轴重型卡车各轴的轮胎载荷，本研究基于虚拟样机系统仿真软件ADAMS中的ADAMS/CAR构建了某国产三轴10轮重型卡车多体动力学模型，具体模型参数如表1所示。

    表  1  重型卡车参数
    Table  1.  Heavy truck parameters
    车辆参数 轮胎参数
    自重/t 载重/t 轴数/个 轮压/MPa 轴距/mm 轮距/mm
    12 <70 3 0.7~1.0 2400 2040/1880
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    GB/T7031 − 2005《机械振动道路路面谱测量数据报告》根据路面不平度系数将路面分为8级，分别命名为A~H，级数越高路面越不平整[9]，这里选用B级路面。利用ADAMS/CAR中的整车动力学仿真分析(Full-Veliche Analysis)模块建立匀速事件(Straight-Line Events)，即卡车在设定好的路面上进行匀速直线运动，建立的模型如图1所示，将车轮依次编号，如图2所示。

    图  1  ADAMS/CAR建立模型图
    Figure  1.  ADAMS/CAR Model drawing
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    图  2  车轮俯视图
    Figure  2.  Top view of wheel
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    1.2   车辆-路面仿真结果验证

    本研究使用文献[10]中的试验实测值对车辆载荷仿真数据进行验证。在ADMAS中建立50 t卡车以60 km/h的速度进行匀速直线运动，提取轮胎载荷并计算动载系数(动载值与静载值之比)。将最大动载系数与实测的动载系数1.37作比较，结果如表2所示，误差都在工程允许误差范围内，因此本模型能够较为准确的模拟出车辆在不平整路面上的轮胎载荷。

    表  2  各轮胎动载荷系数验证
    Table  2.  Verify the dynamic load coefficient of each tire
    车轮编号 LF LI LI2 LW LW2 RF RI RI2 RW RW2
    实测值[10] 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37
    计算值 1.274 1.376 1.272 1.447 1.241 1.222 1.436 1.391 1.277 1.280
    误差 −0.070 0.005 −0.072 0.056 −0.094 −0.108 0.048 0.015 −0.068 −0.066
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    2   管道-土体三维有限元分析模型

    2.1   土体参数设置

    土体选用扩展的线性Drucker-Prager本构模型，并采用不相关流动准则来避免材料的各向同性硬化，即φ=0土体不发生体积膨胀。土体参数如表3所示。

    表  3  土体参数[11]
    Table  3.  The soil parameters[11]
    土体类型 密度ρ/(kg/m3) 弹性模量E1/MPa 泊松比μ
    回填土 1869 20 0.4
    摩擦角/(°) 流变应力比c 膨胀角φ/(°) −
    36.5 1 0 −
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    2.2   管体参数设置

    PE材料是一种粘弹性材料，力学性能受到应力、形变、温度和时间4个因素的影响，本文不考虑温度对PE材料的影响。通过实验可以得到材料的松弛模量曲线和蠕变模量曲线，并用Prony级数形式表示出来，从而建立基于Prony级数的PE管材的本构方程[11]。粘弹性材料的泊松比一般是时间的函数，但是情况允许也可以近似为常数，此时用Prony级数表示粘弹性属性的形式为：

    G(t)=E(t)2(1+μ) (1)
    K(t)=E(t)3(1−2μ) (2)

    式中：G是剪切模量；K是体积模量；μ为泊松比；E(t)为松弛模量，由实验确定。PE80管材的松弛模量如表4所示，根据式(1)和式(2)得到其剪切模量和体积模量。

    表  4  PE80管材松弛模量[12]
    Table  4.  Relaxation modulus of PE80[12]
    i 时间t/s 松弛模量E/MPa 剪切模量G/MPa 体积模量K/MPa
    1 360 430.00 153.57 716.67
    2 3600 320.00 114.29 533.33
    3 36000 280.00 100.00 466.67
    4 360000 250.00 89.59 416.67
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    瞬态剪切模量：

    G0=G∞+N∑i=1Gi (3)

    相对剪切模量：

    gi=Gi/G0 (4)

    根据式(3)和式(4)得到各松弛时间下的相对剪切模量，同理可得相对体积模量(表5)。将得到的瞬态松弛模量E0(t=0时刻)为578.71 MPa。

    表  5  各松弛时间下的相关参数[12]
    Table  5.  The relevant parametersof each relaxation time[12]
    i 松弛时间t/s 相对剪切模量gi 相对体积模量ki
    1 360 0.3807 0.3947
    2 3600 0.0858 0.0713
    3 36000 0.0631 0.0723
    4 360000 0.0515 0.0470
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    2.3   管-土接触设置

    管道和土体间除了传递压力外，还存在摩擦力及相对位移。因此，管土接触选择面面接触，管道为主面，土体为从面。管道和土体之间存在法向和切向2个作用方向，法向接触选择“硬接触”来保证接触面间的传递压力不受限制，切向接触采用默认的库伦摩擦模型，摩擦系数为0.4。因为车辆碾压过程中管道会发生变形，所以选择接触时管道会产生有限位移。土体四周和底部设置全约束，管道两端设置轴向方向的约束。

    2.4   轮胎载荷加载

    通过ADAMS提取出的轮胎载荷可以通过VDLOAD子程序加载到ABAQUS有限元软件中。在土体表面设置4条载荷移动带，载荷移动带在长度方向是单个轮胎载荷长度的40倍。为了将VDLOAD子程序与轮胎载荷精确的结合，将载荷移动带的长度方向平分为80个小矩形，加载初始阶段车轮占据前2个小矩形，如图3所示的1、2位置；第1个时间间隔，载荷整体向前移动1个小矩形，载荷作用位置为2、3；第2个时间间隔，载荷再整体向前移动1个小矩形，载荷作用位置为3、4；这样便达到载荷的移动效果。当车速为36 km/h(10 m/s)时，每个时间间隔为0.0175 s。

    图  3  车辆载荷加载示意图
    Figure  3.  Schematic diagram of vehicle load loading
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    2.5   有限元计算结果验证

    为了分析管-土有限元模型的计算精度，使用文献[13]中的试验实测值对比不同深度下的土体应力。在模拟结果中提取车轮正下方0.5 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m处土体的应力值，与实测的数据作比较，对比结果如表6所示。结果显示，模拟值与实测值的误差小于10%，在工程允许误差范围内，因此管-土基本模型能够较为准确地模拟车辆载荷对PE燃气管道的动力响应。

    表  6  管-土模型验证
    Table  6.  Pipe-soil model validation
    土体深度/m 模拟值/MPa 实测值/MPa[13] 误差/(%)
    0.5 0.2225 0.2151 3.44
    1.0 0.1342 0.1457 −7.89
    1.5 0.0867 0.0886 −2.14
    2.0 0.0294 0.0295 −0.33
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    3   结果分析与讨论

    3.1   典型工况分析

    以某一典型工况为例，分析PE燃气管道在车辆载荷作用下的动力响应行为。管道直径为200 mm，壁厚18.2 mm，管内介质压力0.2 MPa，属于中压城镇燃气管道；土壤参数取1.2节中的土壤特性参数，土体尺寸为14 m×12 m×6 m，管道埋深为0.9 m。车辆载荷通过ADAMS模拟，具体参数见1.1节，模拟过程如图4所示。

    图  4  典型工况模拟
    Figure  4.  Typical condition simulation
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    现分析在车辆行驶过管道的过程中管道的应力和位移变化情况。管道最大位移时刻放大100倍的结果如图5所示和该时刻(STEP2，0.7875 s)管顶路径的管程-位移曲线如图6所示，此时车辆后轮组位于管道正上方，可以看出车辆经过时，管道中间垂直位移最大且位移最大点位于的管道右下方。

    图  5  管道最大位移
    Figure  5.  Maximum pipeline displacement
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    图  6  管程-位移曲线
    Figure  6.  Pipe path-displacement curve
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    管道应力最大时刻的结果如图7所示，可以看出管道的最大应力出现在管道的右上方。管道最大应力点的时长-应力曲线如图8所示，可以看出当卡车的3组车轴经过管道上方时出现了3次依次增大的峰值，但是周围出现了一些小的波动是因为车辆以10 m/s的速度通过管道上方时间较短，载荷由土体传递至管道的过程具有滞后性。

    图  7  管道最大应力
    Figure  7.  Pipeline maximum stress
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    图  8  管道最大应力点时长-应力曲线
    Figure  8.  Length - stress curve of maximum stress point of pipeline
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    3.2   车辆运行参数对管道的影响

    为了更准确的得到车辆载荷作用下PE燃气管道的动力响应，对车辆重量和车辆速度这两个因素进行分析。

    1)车重的影响

    保证其他参数不变，比较40 t、50 t、60 t、70 t和80 t车重的卡车对管道的影响。不同车重下PE燃气管道的最大位移和最大应力如表7所示，为了更好的分析不同车重下PE燃气管道的应力和位移变化情况，绘制了最大应力-时程曲线(图9)和位移-管程曲线(图10)。

    根据模拟结果可知，随着车辆重量的提高，管道受到的应力和产生的位移均增大，但是出现最大位移和最大应力的时刻不发生改变。车辆重量从40 t增加到80 t时，管道最大应力和最大位移分别增加了58.3%和149.2%，说明车辆重量的增加对PE燃气管道有显著影响。

    表  7  不同车重下管道的最大位移和最大应力
    Table  7.  Maximum displacement and maximum stress of different vehicle weight under pipeline
    车重/t 最大位移/mm 最大位移时刻/s 最大应力/MPa 最大应力时刻/s
    40 3.655 0.7875 1.841 0.8925
    50 4.599 0.7875 2.041 0.8925
    60 5.398 0.7875 2.178 0.8925
    70 6.265 0.7875 2.284 0.8925
    80 9.109 0.7875 2.916 0.8750
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    图  9  不同车重下最大应力-时程曲线
    Figure  9.  Maximum stress-time history curve under different vehicle weights
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    图  10  不同车重下最大位移-管程曲线
    Figure  10.  Maximum displacement under different vehicle weights-pipe path curve
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    2)车速的影响

    为了研究车速的卡车对管道的影响，且保证轮胎载荷能够准确的与土体表面吻合以提高计算精度，选取的车速颇为讲究。分别使车辆在14 m长的土体上行驶1.0 s、1.2 s、1.4 s、1.6 s、1.8 s、2.0 s，对应的车速为14.00 m/s、11.67 m/s、10.00 m/s、8.75 m/s、7.78 m/s和7.00 m/s，经过有限元模拟计算，不同车速下PE燃气管道的最大位移和最大应力如表8所示。为了更好的分析不同车速下PE燃气管道的应力和位移变化情况，绘制了最大应力-时程曲线(图11)和位移-管程曲线(图12)。

    表  8  不同车速下管道的最大位移和最大应力
    Table  8.  Maximum displacement and maximum stress of pipeline under different speed
    车速m/s 最大位移/mm 最大位移时刻/s 最大应力/MPa 最大应力时刻/s
    7.00 6.195 1.0250 1.997 1.2000
    7.78 5.604 0.9675 2.021 1.0350
    8.75 5.543 0.8600 2.113 0.9600
    10.00 5.398 0.7875 2.178 0.8925
    11.67 5.220 0.7200 2.254 0.7500
    14.00 5.139 0.5250 2.323 0.6000
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    图  11  不同车速下最大应力-时程曲线
    Figure  11.  Maximum stress-time history curve at different speed
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    图  12  不同车速下最大位移管程-曲线
    Figure  12.  Maximum stress-time history curve at different speed
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    根据模拟结果可知，随着车辆速度的提高，管道受到的应力增大但是产生的位移减小，可以从图11虚线黑框中看出，因为车速的不同，管道受到最大应力的时刻不同。因为PE管道是粘弹性材料，PE管道受到得应力作用时间越长，弹性模量就会越小，则管道的变形越大。车重相同情况下，车速不同造成的管道应力变化不是很明显，所以决定PE管道位移变化大小的是管道所受应力的时长大小，7 m/s时PE管道产生得垂直位移最大。

    4   结论

    基于ADAMS和ABAQUS建立车辆-道路模型和管道-土体模型，对不同车重和不同车速下的PE燃气管道的进行了动力响应分析，得出以下结论：

    (1)用ADAMS建立的车辆-道路模型能够较为准确的模拟出车辆在道路上的行驶情况，并可以获得每个车轮的载荷。

    (2)车辆重量越大，管道受到的应力越大且产生的位移越大。80 t车辆碾压时PE燃气管道最大变形达到9.1 mm，变形量达4.5%，PE管道的安全变形量为5%，更重的车辆经过时可能会导致安全事故。

    (3)车辆速度越大，管道受到的应力越大；但是由于PE管道是粘弹性材料，管道变形大小还与力的作用时间有关，结果得出在7 m/s~14 m/s范围内，车速越大，PE管道产生的位移越小。若超出14 m/s，动载荷系数增大，随着车速增大管道位移是否会继续增大仍有待研究。

  • 图  1   ADAMS/CAR建立模型图

    Figure  1.   ADAMS/CAR Model drawing

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    图  2   车轮俯视图

    Figure  2.   Top view of wheel

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    图  3   车辆载荷加载示意图

    Figure  3.   Schematic diagram of vehicle load loading

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    图  4   典型工况模拟

    Figure  4.   Typical condition simulation

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    图  5   管道最大位移

    Figure  5.   Maximum pipeline displacement

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    图  6   管程-位移曲线

    Figure  6.   Pipe path-displacement curve

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    图  7   管道最大应力

    Figure  7.   Pipeline maximum stress

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    图  8   管道最大应力点时长-应力曲线

    Figure  8.   Length - stress curve of maximum stress point of pipeline

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    图  9   不同车重下最大应力-时程曲线

    Figure  9.   Maximum stress-time history curve under different vehicle weights

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    图  10   不同车重下最大位移-管程曲线

    Figure  10.   Maximum displacement under different vehicle weights-pipe path curve

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    图  11   不同车速下最大应力-时程曲线

    Figure  11.   Maximum stress-time history curve at different speed

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    图  12   不同车速下最大位移管程-曲线

    Figure  12.   Maximum stress-time history curve at different speed

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    表  1   重型卡车参数

    Table  1   Heavy truck parameters

    车辆参数 轮胎参数
    自重/t 载重/t 轴数/个 轮压/MPa 轴距/mm 轮距/mm
    12 <70 3 0.7~1.0 2400 2040/1880
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    表  2   各轮胎动载荷系数验证

    Table  2   Verify the dynamic load coefficient of each tire

    车轮编号 LF LI LI2 LW LW2 RF RI RI2 RW RW2
    实测值[10] 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37 1.37
    计算值 1.274 1.376 1.272 1.447 1.241 1.222 1.436 1.391 1.277 1.280
    误差 −0.070 0.005 −0.072 0.056 −0.094 −0.108 0.048 0.015 −0.068 −0.066
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    表  3   土体参数[11]

    Table  3   The soil parameters[11]

    土体类型 密度ρ/(kg/m3) 弹性模量E1/MPa 泊松比μ
    回填土 1869 20 0.4
    摩擦角/(°) 流变应力比c 膨胀角φ/(°) −
    36.5 1 0 −
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    表  4   PE80管材松弛模量[12]

    Table  4   Relaxation modulus of PE80[12]

    i 时间t/s 松弛模量E/MPa 剪切模量G/MPa 体积模量K/MPa
    1 360 430.00 153.57 716.67
    2 3600 320.00 114.29 533.33
    3 36000 280.00 100.00 466.67
    4 360000 250.00 89.59 416.67
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    表  5   各松弛时间下的相关参数[12]

    Table  5   The relevant parametersof each relaxation time[12]

    i 松弛时间t/s 相对剪切模量gi 相对体积模量ki
    1 360 0.3807 0.3947
    2 3600 0.0858 0.0713
    3 36000 0.0631 0.0723
    4 360000 0.0515 0.0470
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    表  6   管-土模型验证

    Table  6   Pipe-soil model validation

    土体深度/m 模拟值/MPa 实测值/MPa[13] 误差/(%)
    0.5 0.2225 0.2151 3.44
    1.0 0.1342 0.1457 −7.89
    1.5 0.0867 0.0886 −2.14
    2.0 0.0294 0.0295 −0.33
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    表  7   不同车重下管道的最大位移和最大应力

    Table  7   Maximum displacement and maximum stress of different vehicle weight under pipeline

    车重/t 最大位移/mm 最大位移时刻/s 最大应力/MPa 最大应力时刻/s
    40 3.655 0.7875 1.841 0.8925
    50 4.599 0.7875 2.041 0.8925
    60 5.398 0.7875 2.178 0.8925
    70 6.265 0.7875 2.284 0.8925
    80 9.109 0.7875 2.916 0.8750
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    表  8   不同车速下管道的最大位移和最大应力

    Table  8   Maximum displacement and maximum stress of pipeline under different speed

    车速m/s 最大位移/mm 最大位移时刻/s 最大应力/MPa 最大应力时刻/s
    7.00 6.195 1.0250 1.997 1.2000
    7.78 5.604 0.9675 2.021 1.0350
    8.75 5.543 0.8600 2.113 0.9600
    10.00 5.398 0.7875 2.178 0.8925
    11.67 5.220 0.7200 2.254 0.7500
    14.00 5.139 0.5250 2.323 0.6000
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-05
  • 修回日期:  2020-01-15
  • 网络出版日期:  2020-05-31
  • 刊出日期:  2020-05-31

目录

摘要
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  • 1   基于虚拟样机技术的三轴重型卡车动态载荷分析

  • 1.1   车辆-路面模型建立

  • 1.2   车辆-路面仿真结果验证

  • 2   管道-土体三维有限元分析模型

  • 2.1   土体参数设置

  • 2.2   管体参数设置

  • 2.3   管-土接触设置

  • 2.4   轮胎载荷加载

  • 2.5   有限元计算结果验证

  • 3   结果分析与讨论

  • 3.1   典型工况分析

  • 3.2   车辆运行参数对管道的影响

  • 4   结论

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