輸水塑料管負(fù)壓破壞因素研究.pdf

1、管道化灌溉網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。管道建設(shè)廣泛采用塑料管。但是有大量研究與實(shí)踐表明塑料管道抗水錘正壓的能力遠(yuǎn)大于抗水錘負(fù)壓的能力，實(shí)際輸水管道破壞案例中有相當(dāng)一部分屬于負(fù)壓破壞。本論文以廣泛用于農(nóng)田灌溉輸水的PVC-U管道為研究對(duì)象，開(kāi)展管內(nèi)負(fù)壓作用下管道結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬分析，著重研究輸水PVC-U管道的負(fù)壓破壞因素，分析管道發(fā)生負(fù)壓破壞的機(jī)理，為合理優(yōu)化管壁形狀、管壁厚度，合理優(yōu)化管道剛度，合理的進(jìn)

2、行管道強(qiáng)度提高提供理論依據(jù)，為管道化輸水網(wǎng)絡(luò)建設(shè)提供理論幫助。得到以下結(jié)果：
　?。?）采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和電阻應(yīng)變片式引伸計(jì)測(cè)定PVC-U管材的力學(xué)性能。試驗(yàn)測(cè)得管材的彈性模量為846MPa。并根據(jù)管材拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，采用Ramberg-Osgood模型擬合出管材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，得出管材的強(qiáng)化系數(shù)為14.5。為管道負(fù)壓破壞數(shù)值模擬和理論分析提供材料參數(shù)。
　　（2）利用負(fù)壓測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行PVC-U管道負(fù)壓破壞試驗(yàn)。

3、對(duì)含有不同初始橢圓缺陷的管道進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明管道的負(fù)壓破壞臨界值隨著管道橢圓度的增加而顯著降低；對(duì)不同徑厚比和管長(zhǎng)進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明管道的負(fù)壓破壞臨界值隨著管道的徑厚比的增加而明顯減??；管道兩端的約束對(duì)管道失穩(wěn)壓力有明顯影響；對(duì)于壁厚為3.2mm管道，在間隔1.2m處加肋，對(duì)于壁厚為3.5mm管道，在間隔1.4m處加肋，可以避免管道在管內(nèi)出現(xiàn)真空時(shí)發(fā)生負(fù)壓破壞，為管道設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。
　?。?）以小撓度理論為基礎(chǔ)，

4、推導(dǎo)出管道負(fù)壓破壞的線(xiàn)性屈曲方程，求解出薄壁管道彈性屈曲破壞的臨界荷載值，將理論結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較可以發(fā)現(xiàn)，彈性屈曲臨界值明顯大于試驗(yàn)結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果有一定的誤差，主要是因?yàn)閺椥郧鉀](méi)有考慮材料的屈服強(qiáng)度，認(rèn)為管道發(fā)生屈曲時(shí)任然處于彈性狀態(tài)；對(duì)于較長(zhǎng)管道，以結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析方法為基礎(chǔ)，取管道截面進(jìn)行受力分析，推導(dǎo)出管道負(fù)壓屈曲破壞的平面應(yīng)變經(jīng)典解。將理論得出的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較可以發(fā)現(xiàn)，線(xiàn)性屈曲臨界值略微大于試驗(yàn)結(jié)果，但是，線(xiàn)性屈曲臨界

5、值可以作為管道負(fù)壓屈曲破壞荷載的上限值，為管道設(shè)計(jì)提供參考值。
　?。?）基于ANSYS軟件，數(shù)值模擬分析試驗(yàn)管道在管內(nèi)負(fù)壓作用下的屈曲變形，得到管道的失穩(wěn)壓力和屈曲后的形態(tài)。通過(guò)分析管壁應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展過(guò)程，發(fā)現(xiàn)造成PVC-U管道負(fù)壓破壞的原因是管壁環(huán)向壓應(yīng)力超出屈服應(yīng)力時(shí)，管壁材料破壞，管壁縱斷面旋轉(zhuǎn)，表現(xiàn)出管壁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)變形。管壁彎曲應(yīng)力的增加是造成環(huán)向壓應(yīng)力增大的重要原因。分析不同徑厚比、管長(zhǎng)和橢圓率對(duì)PVC-U管道負(fù)壓屈曲破