摘 要

管道主要承担液体、气体的远距离运输。长距离的运输往往需要一定的压力，而在运输过程中就会产生一定的扭矩、轴向力、剪力等。压力管道大多采用韧性较好材料，其失效模式为塑性极限载荷控制的韧性破坏。

考虑压力管道三向应力，发展了正交各向异性和各向同性厚壁压力管道在内压、轴向力、剪力、扭矩和弯矩联合作用下的极限载荷解析解，并研究了载荷形式和屈服强度比对管道极限载荷的影响。本文主要研究内容及结论如下：

（1）将推导了正交各向异性管道在内压、轴向力、剪力、扭矩和弯矩联合作用下的极限弯矩表达式，与有限元进行比较，得出的结果基本可靠。

（2）含有三个方向应力的解析解与忽略径向应力的极限载荷解进行比较，讨论厚壁压力管道径向应力对极限弯矩载荷的影响，得出厚壁压力管道在联合载荷作用下，考虑径向应力的必要性。

（3）各向同性压力管道，材料的屈服强度越高，管道的极限载荷越大。正交各向异性压力管道，内压载荷为零时，管道极限弯矩、极限轴力、极限扭矩以及极限剪力只与轴向屈服强度有关：轴向屈服强度越大，极限载荷越大。

（4）正交各向异性压力管道，有内压作用时，如果内压较小，则管道的极限弯矩主要由轴向屈服强度决定，轴向屈服强度越大，极限弯矩越大；随着内压的增大，环向屈服强度的影响也逐渐明显。在轴向屈服强度相同时，环向屈服强度能增强管道的极限轴力载荷、极限扭矩载荷以及极限剪力载荷。

（5）管道在内压、弯矩、轴向力、剪力、扭矩等联合作用下，取决于各个方向屈服强度的关系，管道极限弯矩载荷随屈服强度比的增大出现复杂变化规律。

（6）径厚比的增长给极限弯矩载荷的影响是呈指数性质的；同时在复杂载荷情况下，极限弯矩载荷与曲线的线型基本保持不变；在不同径厚比的情况下，极限弯矩载荷与轴向屈服应力呈正相关，与径向屈服应力、周向屈服应力无关。

关键词：组合载荷 正交各向异性 厚壁管道 极限弯矩

Limit Load of Orthotropic Thick-Walled Pressure Pipe under Combined Loads

Abstract

As a kind of pressurized component, pressure pipe is widely used in various industrial fields such as petroleum and chemical industry. Pressure pipe plays a key role in the national economy, and its safe operation is very important. Many pressure pipes are made from tough metals, and the failure mode is ductile failure controlled by plastic limit load.

Considering three-dimensional stress of the pressure pipe, the analytical solutions of the limit load for the orthotropic and isotropic thick-walled pressure pipe under the combined load of internal pressure, axial force, shear force, torsion moment and bending moment are developed, and the effects of load type and yield strength ratio on the limit load of the pipe are studied. The following conclusions are drawn:

(1) The expressions of limit bending moment of orthotropic pipe under combined load of internal pressure, axial force, shear force, torsion moment and bending moment are derived, and compared with the finite element method, the results are basically reliable.

(2) Comparing the analytical solutions containing three dimensional stresses with the limit load solutions, the influence of radial stress on limit bending moment load of thick-walled pressure pipe is discussed, and the results show that the effect of the radial stress on the limit load for thick-walled pressure pipe under combined loads should be considered.

(3) For isotropic pressure pipe, the higher the yield strength of the pipe, the greater the limit load of the pipe. The limit bending moment, limit axial force, limit torsion moment and limit shear force of the orthotropic pressure pipe are only related to the axial yield strength when there is no internal pressure: the greater the axial yield strength, the greater the limit load.

(4) For isotropic pressure pipe, the higher the yield strength of the pipe, the greater the limit load of the pipe. The limit bending moment, limit axial force, limit torsion moment and limit shear force of the orthotropic pressure pipe are only related to the axial yield strength when there is no internal pressure: the greater the axial yield strength, the greater the limit load.

(5) Under the combined load of internal pressure, bending moment, axial force, shear force and torsion moment, the variation of the limit bending moment with yield strength ratio is dependent on the load type, the circumferential yield strength and the axial yield strength.

（6）The effect of the increase of diameter-thickness ratio on the ultimate bending moment load is exponential; at the same time, under complex loads, the linear shape of the ultimate bending moment load and K-value curve remains basically unchanged; under different diameter-thickness ratio, the ultimate bending moment load is positively correlated with the axial yield stress, but not with the radial yield stress and the circumferential yield stress.

Key Words：Combined load；Orthotropy；Thick wall pipe；Bending Capacity

目 录

摘 要 I

ABSTRACT i

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 管道极限承载力的理论研究 1

1.2.2 管道极限承载力的实验研究 3

1.2.3 管道极限承载力的数值仿真研究 3

1.3 主要的研究内容 3

1.4 研究方法 4

1.4.1 理论方法 4

1.4.2 数值方法 4

第二章 组合载荷作用下厚壁压力管道极限载荷研究 5

2.1 引言 5

2.2 理论基础 5

2.3 组合载荷作用下厚壁压力管道极限载荷解析解 7

2.3.1 剪应力的推导 7

2.3.2 弯矩的推导 9

2.4 厚壁压力管道极限载荷的有限元分析 10

2.4.1 有限元模型及网格 10

2.4.2 材料参数的设置 11

2.4.3 载荷及边界条件 12

2.4.4 极限载荷的确定 13

2.5 厚壁压力管道极限载荷解的有限元验证 13

2.6 小结 14

第三章 组合载荷作用下厚壁压力管道极限载荷影响因素分析 15

3.1 引言 15

3.2 厚壁管道径向应力对极限弯矩的影响 15

3.3 不同载荷对厚壁压力管道极限弯矩载荷的影响 18

3.3.1 极限内压载荷与极限弯矩载荷相互作用 18

3.3.2 极限轴力载荷与极限弯矩载荷相互作用 21

3.3.3 极限扭矩载荷与极限弯矩载荷相互作用 23

3.3.4 极限剪力载荷与极限弯矩载荷相互作用 25

3.4 屈服强度比对极限弯矩载荷的影响 28

3.5 径厚比对极限弯矩载荷的影响 30

3.6 小结 31

第四章 总结 33

参考文献 35

致 谢 39

第一章 绪论

1.1 课题研究背景意义

管道是当代社会最为广泛的运输方式。城市生活中的给排水、供热尤其是北方的冬天供暖以及南方夏天的城市排水系统管道，农业灌溉，水利工程以及长距离的输送煤气、天然气、石油等的压力管道。管道与我们的生活息息相关，而在管道中排在首位的自然是最重要的是压力管道。

据不完全统计，2000年，浙江省新安江发生工业压力管道泄漏事故，造成4人死亡，直接经济损失数百万元^[1]；2010年4月，墨西哥湾深水地平线钻井平台的爆炸引发了人类历史上最严重的环境灾难，影响了数万平方公里的水域，给全世界敲响了一记警钟^[2]。

随着人们生活的需求上升，经济的发展，工业原料、生活原料的用量会一直上升，而这些主要都依赖于管道的运输。尤其是“2025中国制造”的提出，中国制造业更是会应声高涨，对工业原料的需求也更为旺盛。在现在的国际形势下，南海、东海的开发也需要长距离的海底输送管道，以及来自俄罗斯、中东的石油天然气资源也需要长距离的陆上输送管道。 “十二五”期间，仅中海油在石油天然气生产，沿海天然气管网和液化天然气（液化天然气）运输方面的管道建设将达到1.5万公里。因此，对管道极限荷载分析研究具有重要的现实意义。

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