车辆多轮随机动载荷作用下埋地管道动力响应研究

The influence of multi-wheel dynamic force of moving vehicles on buried pipeline's safety has become the key problem to be solved during the design process of a buried pipeline system for its protection. In this project, we regard the vehicle-road-soil-pipeline as a whole dynamic system, and then investigate a regeneration method of road surface containing buried pipeline, whichi is followed by the recognization process of the rigid body's parameters of a full vehicle model using experimental methods to improve the accuracy of the full rigid-flexible multi-body model, and then we will establish a vehicle-road interaction dynamic model to acuurately extract multi-wheel dynamic forces. We will design a road-soil-pipeline dynamic model considering the viscoelasticity and nonlinearity of road structures,which is acted by the load of random multi-wheel dynamic forces, and then conduct a series of experiments of the dynamic response of the model to find the transfer mechanism of multi-wheel random dynamic force, via road-soil, to pipelines, an expression method of the load spectrum of buried pipelines will be proposed under the action of the multi-wheel random dynamic forces. The main results will provide guidelines for the design of a buried pipeline system and improve the safety and reliability.

车辆多轮随机动载荷对埋地管道安全运行的影响，己成为当前埋地管道系统设计及安全保护亟待解决的问题。本项目拟将车-路-土-管道作为一个整体动力学系统，研究埋地管道路面虚拟再造方法，通过试验识别整车系统模型刚体参数，提高整车刚柔耦合多体动力学模型精度，建立车-路耦合动力学模型，准确提取整车多轮随机动载荷；充分考虑路面结构的粘弹性和非线性、埋地管道的弹塑性、管-土相互作用时的相对滑动和张开接触等因素，建立整车多轮随机动载荷作用下的路-土-管道耦合动力学模型；开展整车多轮随机动载荷作用下的埋地管道动力响应特性研究，揭示整车多轮随机动载荷通过路-土-传至管道的机理，提出在整车多轮随机动载荷作用的埋地管道载荷谱表述方法。研究成果可为埋地管道系统设计及埋地管道的疲劳损伤研究提供依据，确保交通运输路线下的埋地管道系统可靠性及安全性。

车辆多轮随机动载荷对埋地管道安全运行的影响，己成为当前埋地管道系统设计及安全保护非常重视的问题。课题采取理论分析和试验研究相结合的研究方法，经过4年的努力，取得了一系列的研究成果。（1）为获取埋地管道的路面信息，研制了基于激光的三维路面测量系统，测取得到典型路面点云数据，利用自然邻点插值法解决了路面散乱数据处理问题，基于Delaunay三角剖分算法计算构成路面各节点之间的连接关系，建立了准确刻画车-路耦合作用的虚拟路面模型；（2）为较为准确构建重型车辆整车刚柔耦合多体动力学模型，以6×4自卸汽车为研究对象，通过实验获得驾驶室、车箱的质心和转动惯量，并将车架、钢板弹簧等视为柔体，轮胎采用可计算胎体弹性变形和接地印迹的非线性FTire轮胎模型，创建了路面不平度激励下重型车辆整车行驶动力学模型，仿真计算了多轴轮胎多向动态载荷；（3）针对柔性沥青路面及埋地管道特点，考虑路面体系结构、土壤粘性、管道弹塑性和管-土之间接触特性，解决了管-土相互作用接触问题，提出采用有限元和无限元相结合方法，提高计算效率和计算精度，对ABAQUS软件进行二次开发，解决了载荷数据量大、程序编写困难的难题，建立了车辆多轮随机荷载作用下路-管-土系统有限元模型；（4）为验证车辆多轮随机荷载作用下路-管-土系统有限元模型的正确性，按公路路面标准铺设柔性沥青混凝土试验路面，并埋设横向和纵向天然气管道，在管道内部布置应变传感器，测取了自卸汽车通过管道时的动应力响应，验证了路-管-土系统有限元模型的正确性；（5）对沿公路横向和纵向两种埋地管道的动力响应进行仿真研究，探讨了车辆多轮随机荷载作用下埋地管道动力响应特性，揭示了整车多轮随机动载荷通过路-土-传至管道的机理，提出了基于多体系统动力学和有限元技术相结合的车辆多轮随机动载荷作用下埋地管道载荷谱的获取方法。研究结果为车辆荷载作用下的路-管-土系统有限元建模与求解提供了有效方法，丰富了现有车辆荷载作用下埋地管道设计理论和方法，为进一步开展埋地管道的疲劳损伤研究奠定了基础。