柔性管侧向屈曲失效数值模拟及敏感性分析

以基于细长杆理论曲梁单元建立柔性管有限元模型,对柔性管侧向屈曲进行非线性有限元分析;采用等效螺旋钢缆模拟整个抗拉伸层;运用非线性弹簧单元、接触单元和欧拉梁单元模拟其他层作用;考虑湿环境下弯矩和轴向压力共同作用;分析了柔性管侧向屈曲载荷、模态和屈曲后应力对于屈曲载荷的影响;进行了参数敏感性分析.运用Matlab程序语言根据解析解公式建立程序.将数值模拟结果与已有文献结果和解析解结果进行对比,验证了曲梁方法的可行性.结果可为柔性管设计中的出曲校核提供数值模拟方法.     

拉剪多轴载荷作用下的弹性梁弯曲变形

为设计海洋柔性管缆装备多轴加载试验工况,通过建立解析模型和有限元数值模型研究了弹性梁在轴向拉伸载荷与横向多集中载荷共同作用下的弯曲变形,以及拉伸载荷、横向剪力、弯曲刚度等对变形的影响规律,拟合了弹性梁跨中曲率与多轴载荷的近似关系式。结果表明：解析模型结果与有限元结果吻合较好,可见解析模型的正确性。轴向拉力使得跨中区域曲率呈现“凹”形态;梁跨中曲率随拉力增大或剪力减小而迅速减小同时曲率分布更平滑,但随弯曲刚度的下降呈现先增大后减小;拟合的弹性梁跨中曲率与多轴载荷关系式满足工程精度要求。     

轴向载荷作用下双矩形橡胶圈结构的有限变形分析

研究了具有双矩形橡胶圈结构的装置在端部轴向载荷压缩作用下的有限变形问题。首先针对由不可压缩neo-Hookean材料组成的该类结构的有限变形问题,建立了相应的数学模型,利用材料的不可压缩条件和逆解法等求出了问题的隐式解。进而讨论了轴向载荷和结构参数对橡胶圈变形的影响,并分析了轴向压缩率的变化。最后给出了数值模拟,得到了系列有意义的结果:轴向载荷越大、橡胶圈径向越薄或轴向越宽,其径向外表面的膨胀率越大;轴向压缩率在橡胶圈的中间位置最小而在两端最大,轴向压缩率同样受轴向载荷及结构参数的影响。     

形状记忆合金管道接头连接性能研究

目的研究在轴向荷载作用下形状记忆合金(SMA)管道接头的连接性能,为SMA管道连接件的设计提供依据.方法对SMA管道接头连接性能进行轴向拉伸试验,基于AURICCHIO提出SMA本构方程,采用ABAQUS有限元软件对SMA管道接头连接性能进行数值模拟研究.结果在SMA管道连接件两端与被连接钢管相接触的部位,发生应力集中现象.随着过盈量的增加或者管道连接件壁厚的增加,SMA管道连接件与被连接钢管之间的径向应力、管道接头的极限轴向拉伸荷载均随之增大.结论在SMA管道连接件的实际设计过程中,建议管道连接件与钢管的设计壁厚相等,过盈量控制在0.055 mm以内,并通过增加管道连接件轴向长度的方式来提高SMA管道接头的轴向拉伸强度.     

轴向承载力作用下非粘结柔性立管的侧向失效分析

利用非线性有限元方法研究柔性立管在轴向承载力作用下的失效特性,采用实体单元模拟柔性立管抗拉铠装层、强结构带层和外部聚合物层,并考虑材料非线性、几何大变形、接触和摩擦等非线性效应的影响,通过数值模拟分析了柔性立管抗拉铠装层的螺旋钢带数、摩擦系数和外部聚合物层厚度等因素对非粘结柔性立管的失效模式和轴向承载能力的影响.结果表明:与采用部分螺旋钢带的简化模型相比,在抗拉铠装层采用全螺旋钢带数目的模型的失效过程更为复杂,其轴向承载力出现了多个峰值;摩擦系数对立管失效模式的影响很大,摩擦系数较小时立管为侧向失效,摩擦系数较大时立管为径向失效;外部聚合物层厚度对立管侧向失效时的最大轴向承载力影响有限.     

单股钢丝绳丝间多层耦合接触性能研究

针对单股钢丝绳在服役过程中因丝间接触引起的失效问题,基于弹性接触理论和曲杆理论,研究轴向扭转载荷作用下单股钢丝绳丝间多层耦合接触性能。首先,综合考虑泊松比效应和接触变形等因素,建立具有多层结构的单股钢丝绳轴向力学性能与丝间接触性能的数学模型。其次,采用基于半解析法(SAM)的数值方案进行耦合求解。半解析法求解过程中,采用共轭梯度法(CGM)和快速傅里叶变换(FFT)求解多层结构单股钢丝绳丝间接触压力、接触变形及钢丝内部应力,揭示单股钢丝绳芯丝与内层螺旋钢丝间、内外层螺旋钢丝间的接触性能参数随扭转载荷变化的演变规律,以及钢丝绳结构参数对单股钢丝绳丝间接触行为的影响机制。最后,通过与COSTELLO理论计算结果对比,验证单股钢丝绳多层接触耦合模型的有效性。研究结果表明:轴向扭转载荷作用下,单股钢丝绳芯丝与内层螺旋钢丝间、内外层螺旋钢丝间的最大接触压力和变形均位于接触中心,且随扭转加载进程而呈非线性变化;在大扭转载荷下,内层螺旋钢丝与外层螺旋钢丝间的接触区易先发生应力屈服;相比于内层螺旋钢丝捻角,外层螺旋钢丝捻角对单股钢丝绳内部各层丝间的接触作用影响更加显著;扭转载荷引起的最大钢丝应力位于接触界面下,该应力区的应力及深度随螺旋钢丝捻角增大而增大。     

三维复杂井眼上提冲放套管屈曲摩阻模拟研究

针对复杂井身结构、复杂井眼轨迹和井径变化导致的套管下放困难甚至不能到达预期井深的问题,开展了三维复杂井眼上提冲放套管屈曲摩阻研究。在螺旋屈曲套管附加摩阻理论的基础上,利用有限元分析,以H井实际工况参数建立三维复杂井眼套管“上提冲放”作业过程的有限元模型。利用该模型对全井段套管受力及屈曲变形情况进行了分析,结果表明,H井直井段套管在冲放瞬间及自由稳定后所受的轴向力大于其螺旋屈曲临界载荷,从2 000 m井深至造斜点之间井段发生了严重的螺旋屈曲变形,套管螺旋屈曲附加摩阻太大而自锁,下部套管无法传递动力出现下放困难。该类三维复杂井眼套管下放困难机理对复杂井眼套管柱屈曲形态损伤及其失效研究具有重要意义。     

一类可压缩超弹性材料球体中的空穴分岔

研究了由一类均匀各向同性的可压缩超弹性材料组成的球体在给定的表面拉伸作用下的球对称变形问题.给出了问题的控制方程和边界条件,进而求得了描述球体径向对称变形的参数型解析解.证明了对任意给定的表面伸长,方程存在一个平凡解.利用能量比较的方法分析了解的稳定性,并讨论了球体发生空穴分岔时的应力的集中和突变现象.最后给出了数值算例.     

TiC颗粒增强钛基复合材料宏细观力学性能分析

结合均匀化理论与不动点迭代法,提出了均匀化方法用于解决周期性多尺度问题的有限元框架,建立了具有典型微观结构的TiC颗粒增强钛基复合材料的单胞有限元模型.从宏观尺度出发采用不动点迭代方法给出了微观尺度下单胞有限元的位移边界条件,对其拉伸力学性能进行了数值模拟研究.给出了TiC颗粒增强钛基复合材料在拉伸载荷作用下的宏观等效力学性能,并与实验结果进行对比,验证了该方法的有效性和可靠性.     

复合材料螺栓连接载荷分配的数值模拟

航空结构中复合材料多钉螺栓连接中存在载荷分配不均匀现象.为衡量载荷的不均匀程度,定义了载荷不均匀度的概念.基于ABAQUS 6.10采用三维有限元数值模拟技术建立了复合材料单列4排单搭接三维有限元模型,有限元模拟计算结果与试验结果一致.基于载荷不均匀度,使用三维有限元模型分析了几何参数、板间摩擦和预紧力对载荷分配的影响,结果表明载荷不均匀度有助于定量化研究载荷分配问题和找到均匀化策略.     

计入丝间接触的钢丝绳股轴向力学性能半解析法研究

为研究计入丝间接触的钢丝绳股轴向力学性能,在计入泊松比效应和接触变形等影响下,建立轴向拉伸和扭转载荷下钢丝绳股数学模型,并使用半解析法(SAM)对该模型进行求解。在使用SAM时,利用共轭梯度法求解出丝间接触压力,利用快速傅里叶变换加快接触变形计算。对上述模型和方法的有效性进行证实。研究结果表明:采用SAM可实现考虑丝间接触的钢丝绳股轴向力学性能快速而准确的求解,且计算效率远比有限元仿真的高;在轴向拉伸过程中,芯丝比侧丝承受的拉伸载荷大;增大轴向扭转载荷会导致侧丝轴向应变,以及芯丝和侧丝间的接触压力、接触变形与接触半宽的增加;芯丝和侧丝间的接触以及侧丝的缩径,会导致侧丝轴线的螺旋半径略有减小。     

非对称铺设SMA层的复合材料梁在热荷载作用下的变形分析

基于几何非线性理论,提出一类偏心铺设的形状记忆合金(SMA)复合材料梁的数学模型,建立梁在温度载荷作用下的非线性弯曲控制方程,应用打靶法进行数值求解,得到均匀加热下两端不可移简支SMA层合梁的热弯曲数值解.给出具体算例的平衡构形和平衡路径,并分析和讨论SMA的几何和物理参数对梁变形的影响.结果表明梁在升温的一开始就发生变形,升温过程中随着SMA的相变,变形趋势加剧,通过改变SMA的几何、物理参数可以调整梁的变形.     

不可压缩超弹性球形结构的径向有限变形

研究了在表面拉伸载荷的作用下,各向同性不可压缩超弹性材料组成的球形结构的有限变形问题。首先利用不可压缩性条件及边界条件求得了拉伸载荷和球形结构内半径之间的关系,进而分别给出了4种球形结构（实心球体、预存微孔、球壳和球形薄膜）有限变形解的定性分析,最后结合数值算例详细讨论了材料参数和结构参数对球形结构径向变形的影响。     

形状记忆合金纤维层板固有频率可调性的有限元分析

采用有限元方法建立SMA纤维层合板的有限元动力学模型，通过矩阵特征值问题求解，得到板的固有频率，讨论了相奕激发温度的改变、SMA纤维的体积分数、SMA预拉伸变形等参数对结构固有频率的影响。研究结果对于实现SMA纤维复合材料减振降噪智能结构的自适应控制具有一定的参考价值。     

压下螺旋的弹性接触有限元分析与优化设计

本文用弹性接触有限元混合法,以轧钢机压下螺旋为例,求解传动螺旋载荷轴向分布及螺牙上载荷径向分布。据此,提出螺纹载荷分布不均匀率概念,并以此为判据,对压下螺母的高度和形状进行优化。所得结果,可供轧钢机械和有关人员设计压下螺旋以及其他重载传动螺旋时参考。     

带槽管状过渡约束阻尼结构振动特性分析

为进一步提高管状阻尼结构减振效果,本文对过渡层分别进行了均匀周向、轴向带槽处理,基于复特征值法建立结构动力学方程,研究管状结构结构参数(开槽段数、间隔、厚度和约束层厚度)的改变对约束阻尼管振动特性的影响。建立了全敷设和均匀周向、轴向带槽过渡层约束阻尼管状结构有限元模型,分析比较模态固有频率和结构损耗因子,同时通过解析解(摄动法)和仿真计算结果验证所建模型的合理性,经分析对比结果数据吻合良好。通过对全敷设与带槽结构的谐响应分析结果表明,均匀带槽过渡层能够局部放大粘弹性阻尼层內剪切变形,提升结构阻尼效果,且周向带槽过渡层结构优于轴向带槽结构。     

考虑扭矩影响的弯曲井眼内钻柱屈曲特性分析

分析了弯曲井眼内钻柱屈曲特性,推导了考虑扭矩影响下的弯曲井眼内钻柱屈曲微分方程和屈曲临界载荷计算模型。针对ϕ215.9 mm井眼内的ϕ127.0 mm钻杆,建立了增斜和降斜井段钻柱的有限元模型,对比分析了考虑和不考虑扭矩影响时的钻柱屈曲特性。结果表明,钻柱正弦屈曲构型与扭矩无关,而只与钻柱所受轴向载荷有关,扭矩对螺旋屈曲构型影响较大。数值模拟得到的弯曲井段不同造斜率下的钻柱屈曲临界载荷与解析解的相对误差在15%以内,证明了数值模拟的可靠性。弯曲井眼内施加扭矩后,螺旋角位移增大,正弦和螺旋屈曲临界载荷降低。钻柱正弦屈曲形态变化较小,扭矩对螺旋屈曲变形的影响更大。增斜井段钻柱从顶部开始发生正弦和螺旋屈曲,钻柱底部保持平衡状态;在降斜井段,不考虑扭矩时,初始正弦和螺旋屈曲均首先出现在钻柱下部,考虑扭矩影响时,降斜段初始正弦屈曲出现在钻柱上部,初始螺旋屈曲同时出现在钻柱上部和下部。相对于增斜段,降斜段钻柱屈曲临界轴向载荷非常小,说明增斜井段发生屈曲的可能性相对较小,降斜井段则很容易发生屈曲。结果有望为水平井、大位移井弯曲井眼内钻柱设计、屈曲控制与强度校核提供参考。     

基于主应力法的筋板构件成形载荷求解模型

分析了铝合金筋板构件挤压变形过程的金属流动规律,提出了计算成形载荷的包络圆等效载荷模型,该模型由筋条区域的平面应变问题主应力分析模型和腹板区域的轴对称问题主应力分析模型耦合而成.对比分析了包络圆等效载荷模型的解析解与经验公式解、数值解和试验数据的一致性,讨论了筋宽和腹板厚度对成形载荷的影响.结果表明:包络圆等效载荷计算模型不仅能够描述构件尺寸要素对成形载荷的影响,而且计算结果与数值模拟及试验结果比较一致,准确性高于经验公式;当筋板构件包络圆半径与腹板厚度的比值大于24时,模型解析解偏差较大.     

蜻蜓翅膀力学性能的数值模拟

采用数值模拟的方法对蜻蜓翅膀在均布载荷作用下的力学性能进行了分析. 采集蜻蜓翅膀标本,将翅膀照片拾取成为矢量图,并由矢量图建立几何模型. 利用有限元分析软件建立了蜻蜓翅膀的有限元模型,对均布载荷条件下蜻蜓翅膀的力学性能进行了数值分析,得到了蜻蜓翅膀不同位置的受力变形情况,进而给出了蜻蜓翅膀的位移随时间变化曲线. 数值模拟结果显示,在同一水平位置上,越靠近翅根部分,变形越小,离翅根越远,变形越大;而同一垂直方向的三个不同位置的位移变化量几乎一致,与实际情况相符,证明了数值模拟中所取的杨氏模量参数的合理性;翅膀受到均匀载荷作用时,翅根部分附近所受压力是最大的,这与理论中固定端受力情况一致.     

滚珠丝杠螺母副载荷分布的计算方法

依据滚珠丝杠螺母副工作过程的变形机制，提出了滚珠与滚道接触载荷仅引起滚道螺旋面整体轴向位置变化的假设，进而推导出滚珠与滚道接触点对应中心的轴向变化关系；依据赫兹接触理论和滚珠与滚道局部接触变形的几何关系，建立了滚珠与滚道接触力的数值计算模型.利用所提出的模型、有限元模型和现有文献模型对二维平面接触问题进行了计算，通过计算结果的对比验证了本文计算方法的准确性和适用性.以某滚珠丝杠螺母副为例，利用数值计算模型进行了计算，分析了滚珠与滚道之间的接触力和接触角随轴向载荷的变化规律.