1、仿真模擬
利用ANSYS LS-DYNA對上述衝擊試驗進行三維仿真模擬分析，仿真模型由以下三部分構成：落石、試件（分別為鋼帶PE波紋管和鋼管）、砂墊層。落石採用質量分別為90kg、180kg、300kg的球形剛體模型（參數詳見表1）；試件和砂墊層採用和試驗材料完全一致的幾何尺寸，其中鋼帶PE波紋管屈服模型是Bilinear isotropic 雙線性各向同性硬化模型（ID800、SN16、層壓壁厚≥12.5,具體參數詳見表1），鋼管同樣採用雙線性各向同性硬化模型（ID800、管厚8，具體參數詳見表1），共劃分2400個4節點殼體單元。
表1 仿真部件參數
砂墊層採用橡膠非線性彈性模型，密度為1078kg/立方米，剪切模量G=16.26MPa，共劃分1078個節點實體單位，墊層底面節點定義為固端約束。初始條件為球形落石在試件頂部1m處以初速度10.84m/s自由下落，落石與圓管、圓管與墊層之間接觸均為面與面接觸。
試驗結果詳見表2。由表可知，鋼帶PE波紋管的最大凹陷變形值與鋼管的最大凹陷變形值相差不大，最大凹陷值均不招過100mm，兩試件的抗衝擊能力都能滿足應急逃生需求。
2、衝擊試驗
試驗在加工廠內進行，試驗試件分別為鋼帶PE波紋管和鋼管，模擬巖塊從隧道頂部掉落。鋼帶PE波紋管試件採用單節長度L為6m、ID800、環剛度SN16；鋼管試件採用單節長度L為6m、ID800、壁厚H為10mm，可見兩試件尺寸規格基本一致。衝擊試件為塊狀孤石，重量分別為90kg、180kg和300kg三種。試件墊層均為用平整放置的砂袋，墊層厚250mm，寬800mm。衝擊試件離圓管頂部距離主要取決於隧道斷面的開挖高度，本試驗均為7m，石塊試件高度由龍門吊進行提升，通過調整龍門吊前後移動來控制落石的衝擊部位。除墊層對基底部產生豎向與水平摩擦約束外，試件外部不受其它方向約束。
實驗時，將試件平鋪於砂墊層上，用龍門吊提升石塊試件至相應高度，然後空中釋放石塊任其自由下落並與試件發生撞擊。為比較試件兩端和中間斷面的抗擊能力大小，試驗過程分別用300kg落石對兩個不同截面進行衝擊。由於隧道塌方落石的掉落可能會偏離逃生管縱軸線一定距離，因此，除模擬對頂撞擊外，試驗還模擬了石塊與試件的斜交撞擊。
試驗結果詳見表2。表中分別列出了不同衝擊能量的衝擊部位、撞擊角度以及最大凹陷變形值，從該結果可以看出，兩試件的最大凹陷變形值均不招過85mm，均滿足應急逃生需求。
表2試驗與仿真模擬結果
由仿真模擬與現場實驗比較可知，在最大沖擊能量（2.06*104J）作用下，數值模擬結果與實驗結果基本吻合。撞擊發生後，鋼管和鋼帶PE波紋管被撞擊部位均產生局部凹陷，而鋼帶PE波紋管柔性反作用力較強，兩試件的局部凹陷均滿足應急逃生需求。
3、關門坍塌仿真
模擬發生關門塌方時，鋼帶PE波紋管中間部位被洞室岩層埋蓋，模擬試件採用洞內碎石（密度為2500kg/立方米，彈性模量E=40 GPa，泊松比v=0.2. 試件選用鋼帶PE波紋管），鋼帶PE波紋管屈服模型仍然選用Bilinear isotropic 雙線性各向同性硬化模型（參數仍選用上述實驗參數），墊層不變。初始條件為岩石從6米高處以初速度0m/s自由下落，岩層與管件全面接觸，岩層不斷堆積直至距墊層7米高為止，模擬效果與關門塌方時類似。
在模擬關門塌方中，堆積的岩石將試件壓成橢圓狀，但鋼帶PE波紋管變形不大，能滿足應急逃生需求。
閱讀更多 正舉新材料 的文章
