[发明专利]一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法

权利要求书

1.一种暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，包括

S1、构建管道标准结构模型：分别建立管道、土体、橡胶圈三维模型，构建以实际工况为基础的整合模型，将所述管道的内壁定义为耦合面，并在整合模型中土体上表面构建交通荷载模型，得到管道标准结构模型；

S2、构建管道-流体场耦合模型：设置所述管道的三维模型内部空间为流体场，管道内流体场为气液两相流场，并设置液相流场为紊流状态；将所述气液两相流场与所述管道标准结构模型进行耦合构建；

S3、对所述管道-流体场耦合模型进行耦合计算，进而得到管道上覆土压力、交通荷载和流体荷载对管道的致灾机理，并进行可视化展示。

2.根据权利要求1所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，步骤S1中，构建所述管道标准结构模型步骤如下：

S11、分别按照预设工况建立管道、土体、橡胶圈三维模型；

S12、材料属性设置：使用CDP模型描述管道应力应变关系对管道赋予材料参数，同时对土体、橡胶圈赋予基础材料参数；所述应力应变关系包括受拉关系和受压关系；

S13、将管道、土体、橡胶圈装配成相互作用的整合模型，然后进行网络剖分处理；并将管道、土体、橡胶圈之间的接触界面采用库伦接触模型设定，并将管道内壁设定为耦合面；

S14、对整合模型进行边界条件设置，限制整合模型中土体四个侧面、底面及管道两端的法向位移自由度；然后创建进行土体静力分析模块和动力隐式分析模块，所述静力分析模块实现地应力平衡，在所述动力隐式分析模块上构建交通荷载，结合得到管道标准模型。

3.根据权利要求2所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，步骤S12中，所述受拉关系的关系表达式为：

所述受压关系的关系表达式为：

其中：y为应力；x为应变；α_t为管道材料单轴受拉应力应变关系曲线下降段的参数；α_d为管道材料单轴受压应力应变关系曲线下降段的参数。

4.根据权利要求3所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，CDP模型通过损伤因子来描述卸载时材料刚度退化现象，损伤因子求解方程为：

其中，d_k为损伤因子；α_k为管道屈服应力；t，c分别代表拉伸和压缩；β为塑性应变与非弹性应变的比例系数，受压时取0.35～0.7，受拉时取0.5～0.95；εⁱⁿ为管道材料拉压情况下的非弹性阶段应变；E₀为管道弹性阶段的杨氏模量。

5.根据权利要求1所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S21、设定所述管道标准结构模型中的管道的内部结构场为流体场，使所述流体场与所述内部结构场的坐标完全对应；

S22、将所述流体场设定为气液两相流，并定义所述流体场的边界壁面以及水和气的进出口面；同时设定液相流为紊流状态；

S23、将所述流体场与所述管道标准结构模型进行耦合构建。

6.根据权利要求5所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，流体模型边界条件设定使用标准函数壁面发来模拟管道近壁面的流动情况，所述标准函数壁面公式为：

U^*＝y^* y^*≤11.2；

其中，k＝0.42，E＝8.955，C_μ＝0.09；U_P是P点处流体的平均流速，k_p是P点的湍流动能，y_p是P点到壁面的距离，μ是流体的动态粘度系数；ρ是流体密度；τ_w为壁面切应力。

7.根据权利要求1所述的暴雨环境下管道多物理场作用致灾机理演示方法，其特征在于，所述交通荷载的形式为：

其中，p为轮胎静压；T为周期，其中l为轮胎胎纹长度；v为车速。