[發明專利]一種暴雨環境下管道多物理場作用致災機理演示方法

在審

• 申請號: 202010603642.6
• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111859738A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 方宏遠;李斌;楊康建;何航;譚佩玲;張曦君
• 申請（專利權）人: 鄭州大學;壩道工程醫院（平輿）
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F30/13;G06F113/08;G06F113/14;G06F119/14
• 代理公司: 長沙楚為知識產權代理事務所(普通合伙) 43217
• 代理人: 李大為

1.一種暴雨環境下管道多物理場作用致災機理演示方法，其特征在于，包括

S1、構建管道標準結構模型：分別建立管道、土體、橡膠圈三維模型，構建以實際工況為基礎的整合模型，將所述管道的內壁定義為耦合面，并在整合模型中土體上表面構建交通荷載模型，得到管道標準結構模型；

S2、構建管道-流體場耦合模型：設置所述管道的三維模型內部空間為流體場，管道內流體場為氣液兩相流場，并設置液相流場為紊流狀態；將所述氣液兩相流場與所述管道標準結構模型進行耦合構建；

S3、對所述管道-流體場耦合模型進行耦合計算，進而得到管道上覆土壓力、交通荷載和流體荷載對管道的致災機理，并進行可視化展示。

2.根據權利要求1所述的暴雨環境下管道多物理場作用致災機理演示方法，其特征在于，步驟S1中，構建所述管道標準結構模型步驟如下：

S11、分別按照預設工況建立管道、土體、橡膠圈三維模型；

S12、材料屬性設置：使用CDP模型描述管道應力應變關系對管道賦予材料參數，同時對土體、橡膠圈賦予基礎材料參數；所述應力應變關系包括受拉關系和受壓關系；

S13、將管道、土體、橡膠圈裝配成相互作用的整合模型，然后進行網絡剖分處理；并將管道、土體、橡膠圈之間的接觸界面采用庫倫接觸模型設定，并將管道內壁設定為耦合面；

S14、對整合模型進行邊界條件設置，限制整合模型中土體四個側面、底面及管道兩端的法向位移自由度；然后創建進行土體靜力分析模塊和動力隱式分析模塊，所述靜力分析模塊實現地應力平衡，在所述動力隱式分析模塊上構建交通荷載，結合得到管道標準模型。

3.根據權利要求2所述的暴雨環境下管道多物理場作用致災機理演示方法，其特征在于，步驟S12中，所述受拉關系的關系表達式為：

所述受壓關系的關系表達式為：

其中：y為應力；x為應變；α_t為管道材料單軸受拉應力應變關系曲線下降段的參數；α_d為管道材料單軸受壓應力應變關系曲線下降段的參數。

4.根據權利要求3所述的暴雨環境下管道多物理場作用致災機理演示方法，其特征在于，CDP模型通過損傷因子來描述卸載時材料剛度退化現象，損傷因子求解方程為：

其中，d_k為損傷因子；α_k為管道屈服應力；t，c分別代表拉伸和壓縮；β為塑性應變與非彈性應變的比例系數，受壓時取0.35～0.7，受拉時取0.5～0.95；εⁱⁿ為管道材料拉壓情況下的非彈性階段應變；E₀為管道彈性階段的楊氏模量。

5.根據權利要求1所述的暴雨環境下管道多物理場作用致災機理演示方法，其特征在于，步驟S2具體包括：

S21、設定所述管道標準結構模型中的管道的內部結構場為流體場，使所述流體場與所述內部結構場的坐標完全對應；

S22、將所述流體場設定為氣液兩相流，并定義所述流體場的邊界壁面以及水和氣的進出口面；同時設定液相流為紊流狀態；

S23、將所述流體場與所述管道標準結構模型進行耦合構建。

6.根據權利要求5所述的暴雨環境下管道多物理場作用致災機理演示方法，其特征在于，流體模型邊界條件設定使用標準函數壁面發來模擬管道近壁面的流動情況，所述標準函數壁面公式為：

U^*＝y^* y^*≤11.2；

其中，k＝0.42，E＝8.955，C_μ＝0.09；U_P是P點處流體的平均流速，k_p是P點的湍流動能，y_p是P點到壁面的距離，μ是流體的動態粘度系數；ρ是流體密度；τ_w為壁面切應力。

7.根據權利要求1所述的暴雨環境下管道多物理場作用致災機理演示方法，其特征在于，所述交通荷載的形式為：

其中，p為輪胎靜壓；T為周期，其中l為輪胎胎紋長度；v為車速。