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随着我国城镇化和清洁能源的发展,聚乙烯(PE)燃气管道因其卓越的性能成为了城镇燃气管道铺设的首选。然而,监测技术发展的滞后导致城镇埋地燃气管道突发性事故时有发生,地质沉降、第三方开挖、管道快速开裂是导致事故的主要原因。城镇埋地PE燃气管的安全已引起社会和有关部门的高度重视。目前,关于金属燃气管道失效和安全监测方法的研究已取得了可喜的成绩,但对于材料性能差异明显且发展较晚的PE燃气管研究还非常滞后,尚没有可工程化应用的监测方法和技术。基于此,本论文围绕PE燃气管道典型失效监测方法和系统展开研究,开发出了具备管道安全监测和开裂抑制作用的实验装置。论文主要工作如下:(1)PE燃气管材力学特性研究。在PE管材的粘弹特性、大变形和断裂时力学响应特性讨论的基础上,通过对比分析确定了本研究中大变形情况下的PE本构模型,在力学拉伸实验获得PE管材的力学特征参数基础上,研究基于应变的四阶Sherwood-Frost模型,并分别从强度、应变、椭圆度以及应力强度因子建立了PE燃气管道四种力学评判准则。(2)PE燃气管道外力作用下大变形破坏的仿真研究。应用Sherwood-Frost模型,基于ABAQUS对城镇PE燃气管道地质沉降和外部挖掘两种外力作用下的典型大变形失效进行有限元模拟和分析,并重点对PE燃气管道在地质沉降各阶段、不同沉降坡度、不同挖掘速度、不同挖掘方向等工况下的力学响应进行研究。(3)埋地PE燃气管道快速开裂及抑制方法研究。利用扩展有限元法(XFEM)和简化的管道开裂模型,对城镇埋地PE燃气管道快速开裂失效时快速裂纹增长趋势进行仿真研究,分析裂纹增长过程中应力变化规律,在此基础上对裂纹抑制环及其影响因素进行研究,为传感和裂纹抑制装置打下基础。(4)城镇埋地PE燃气管道监测系统开发。在前述研究基础上,开发一种带有监测功能的城镇埋地PE燃气管道典型失效监测和开裂抑制系统,系统包括上位机、下位控制器和传感装置等。