受内部冲击弯管的破裂失效研究

　　某石化厂检修时不慎将一零件跌入管道,开车后该零件在流体冲击下撞击弯管,最终引起管道爆裂,造成极大经济损失。因此,研究受撞击弯管的失效模式及弯管几何参数对临界破裂动能影响显得尤为必要。

　　国外从20世纪70年代开始对中低弹速下薄壁金属圆管的临界破坏进行了研究。Woodward和Bald-win[1]及Goldsmith和 Finneganl[2]研究了平板受弹体的斜冲击问题,Goldsmith认为冲击角度在20°-30°时临界冲击能最低。Awerbuch和 Bodner[3]发现临界能量随冲击角度的增加而降低,但由于角度变化较小,临界能量降低并不明显。T.G. Zhang等[4-5]通过对受外部斜冲击圆管试验发现:在球头和半球头弹体冲击下,圆管的临界穿透速度随冲击角的增加而增加,而平头弹体存在45°斜冲 角,使得临界穿透速度最低。穆建春等[6]通过实验确定了90°圆锥头弹体不同角度外部冲击圆管的破裂失效模式,发现斜冲角30°时,临界破裂动能最低, 仅为正冲击的45%。

　　目前国内外对管道受冲击的研究,集中在管道外部。在实际生产中,管道内流体若存在夹杂物,将不可避免地在弯头部位冲击管壁,并且由于湍流影响, 会出现斜冲击,极易引起弯管破裂。对弯管内部受冲击的研究迄今还没有开展。本文通过模拟弹体横向撞击弯管内部,研究弯管壁厚和冲击角度对冲击失效影响,分 析薄、厚弯管的变形及失效特点,从而为管道抗冲击研究及管道设计提供一种新的方法和思路。

　　1　材料模型及失效准则

　　弹体撞击弯管需考虑应变率对冲击处影响,选用率相关的随动塑性Cowper-Symonds材料模型[7]。

　　根据冲击碰撞的高度非线性特点,主要考虑塑性应变对破裂的影响,用破裂应变失效准则定义失效破坏。即当模拟所得单元塑性应变εe大于材料真实破裂应变εr时,认为此单元发生破裂失效。采用单元消去算法计算初始破裂。

　　2　弯管受冲击有限元模型建立及验证

　　采用上述材料模型及失效准则,结合APDL语言,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对文献[5]中半球头弹体以不同角度侧向撞击直管试验结果进行了有限元模拟。

　　采用文献[5]的数据,受冲击管道厚度t=3.46mm,外径D=115 mm,管道材料参数如表1。弹体设为刚体,质量41 g,尺寸及形状见图1。

　　选用三维SOLID164单元,采用Cowper-Symonds材料模型,εr=0.74。弯管两端施加固定约束。材料失效主要与接触区塑性 变形有关,失效形式与弹头形状及冲击角度有关。因此,冲击接触面和网格密度大小对模拟结果有较大影响。所建模型选择了大小合适的冲击接触面和网格密度(见 表2)。模拟求得的临界破裂速度Vr和临界破裂动能Er(Er=12mv2r)与试验值比较如表2。