【海洋工程管道专题】| LNG低温复合柔性管道冲击力学行为数值模拟分析

论文导读与观点概要

一、研究目的

随着全球液化天然气（LNG）贸易的蓬勃发展，LNG低温复合柔性管道作为关键的能源储运装备，其安全性与可靠性备受关注。该类管道具有多层、多材料、非黏接的复杂结构特征，在实际服役环境中，极易遭受重物坠落、船舶碰撞等突发冲击载荷的威胁。更为严峻的是，管道内部长期承受高压介质作用，且处于-163℃的超低温环境，这种“内压+超低温+外部冲击”的复杂耦合工况，使得管道结构的失效机理变得异常复杂。然而，目前学术界与工程界尚缺乏针对此类管道在复杂耦合载荷下力学响应特性的系统性研究。因此，本研究旨在填补这一空白，通过高精度的数值模拟手段，深入探究LNG低温复合柔性管道在多重载荷耦合作用下的动力学响应规律与损伤演化机制。研究成果不仅有助于揭示极端工况下管道的失效机理，更为LNG储运装备的结构优化设计、抗冲击性能评估及全生命周期安全管理提供了坚实的理论支撑与科学依据，具有重大的工程应用价值。

二、研究方法

为精准复现LNG低温复合柔性管道在极端工况下的力学行为，本研究提出了一套多物理场耦合的等效数值分析模型构建与求解方法。首先，基于代表体积元法（RVE），构建了考虑内压与热力耦合效应的管道等效模型，并在ABAQUS有限元软件中针对聚酰胺纤维和聚酯膜建立结构模型，通过周期性位移边界条件精确求解等效弹性模量。其次，采用Ramberg-Osgood方程精准描述316L不锈钢的弹塑性力学行为，全面考虑了大变形、接触作用及摩擦效应等强非线性特征。在求解策略上，采用热力顺序耦合分析方法，先进行温度场分析，再将温度结果作为体载荷施加于结构模型中。研究构建了包含655391个节点和467696个单元的高精度有限元模型，利用ABAQUS/Explicit求解器及动态显式算法模拟瞬态冲击过程。为确保研究的全面性，研究设置了三种典型对比工况：仅受冲击载荷、冲击载荷叠加内压载荷、以及冲击载荷叠加内压与-163℃超低温环境。同时，系统分析了35°、45°、55°三种不同冲击角度对管道抗冲击性能的影响规律。

三、研究结果

数值模拟结果深刻揭示了LNG低温复合柔性管道在冲击载荷下的复杂动力学响应特征。研究表明，管道的动力响应过程可明确划分为快速压陷、回弹和稳定三个阶段：在0至0.12秒的快速压陷阶段，冲击能量迅速传递，截面凹陷深度达到峰值；随后在0.12至0.19秒的回弹阶段，弹性势能驱动管道部分恢复；0.19秒后进入稳定阶段，管道保留不可逆的永久性塑性凹痕。在损伤分布上，内骨架钢丝的塑性损伤最为严重，最大位移达123.41 mm，等效塑性应变高达0.127，发生了显著的塌陷和局部屈曲。在载荷耦合效应方面，单独冲击载荷导致的变形最为严重；而内压载荷的引入产生了环向预应力，提供了反向回弹力，有效延缓了凹陷发展。然而，-163℃超低温环境使材料屈服强度大幅提升但脆性增加，导致应力峰值更高，加剧了局部损伤风险。此外，冲击角度显著影响抗冲击性能：随着冲击夹角减小，刚体与管道的接触面积增大，载荷分散效果增强，内外骨架层可承受的最大冲击能量均随之增大。在8000 J冲击和1.2 MPa内压下，低温管道外骨架层可承受的最大冲击能量为1961.93至4011.10 J，内骨架层为2845.57至6630.72 J。

四、研究结论

针对LNG低温复合柔性管道在冲击载荷作用下的力学响应特性，开展了系统的数值模拟分析，得出以下结论：

1）LNG低温复合软管在冲击载荷作用下动力学响应过程分为快速压陷、回弹和稳定3个阶段。

2）在冲击载荷作用下，内骨架钢丝塑性变形最为严重，并发生了显著的塌陷和局部屈曲。

3）冲击载荷单独作用时LNG低温复合柔性管道的变形最为严重，而内压载荷的加入能有效减少管道的凹陷程度，但低温环境的影响却使得管道变形和损伤风险增加。

4）LNG低温复合柔性管道整体能够承受的最大冲击能量随着冲击夹角的减小而增大。 

未来的研究将结合试验分析，进一步验证数值模型的准确性并探讨不同工况下的管道性能，为LNG低温复合柔性管道的设计与应用提供更为可靠的理论依据。 

相关图表

本文引用格式：刘畅, 程子云, 崔腾飞, 等. LNG低温复合柔性管道冲击力学行为数值模拟分析[J]. 海洋工程, 2026, 44(5): 38-52.  (LIU Chang, CHENG Ziyun, CUI Tengfei, et al. Numerical simulation analysis of the impact mechanical behavior of LNG cryogenic composite flexible hose[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(5): 38-52.  (in Chinese)）

作者简介：   

刘畅（2000—），男，黑龙江哈尔滨人，博士研究生，研究方向为海洋柔性管缆结构分析。E-mail：lc20000322@126.com

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