海底管道在弯矩和水压作用下的屈曲压溃研究

针对含初始椭圆度缺陷的海底管道在弯矩和水压联合作用下的屈曲破坏问题,基于薄壁假定,选择能够描述管道应变和曲率随位移变化的几何方程,采用流动理论建立应力增量与应变增量之间的关系,采用三角级数对位移函数进行离散,列出管道的初始椭圆度缺陷的形式,最终基于虚功原理建立了复杂载荷作用下管道的理论模型.通过控制轴向曲率和外部水压的增量及加载顺序,在MATLAB中对由虚功原理推导出的非线性方程组进行数值求解,从而得到管道在不同加载路径下的极限承载力.同时运用有限元计算软件,在合理控制了刚体位移和边界条件的基础上实现对弯矩和水压载荷的分步加载,得到了弯矩和水压联合作用下的管道有限元模型,计算管道的承载性能并与理论模型进行对比,验证了理论模型的准确性.之后,以管道缺陷截面在压溃瞬间的椭圆度为计算指标,采用有限元方法分别计算不同加载路径下的管道破坏形式,从而对弯矩和水压联合作用下的管道压溃破坏机理进行探究.研究结果表明:弯矩载荷对管道承压能力的削弱作用主要体现在弯矩对Mises应力和截面椭圆度的增大两个方面,在弯矩载荷较小时,椭圆度的影响起主要作用;外压—弯矩加载路径下管道的承载性能较低的原因是缺陷截面在压溃瞬间的椭圆度较弯矩—外压加载路径大.     

复杂载荷条件下有缺陷海底管道非线性屈曲分析

针对有初始缺陷海底管道在弯曲、轴力和外部静水压力联合作用下的复杂载荷屈曲压溃问题,建立管道的屈曲压溃理论模型,研究中考虑管道变形的几何非线性和材料非线性,运用结构弹塑性本构关系,基于虚功原理建立管道屈曲压溃方程;运用MATLAB编程进行数值计算,分别研究分析弯曲、轴力和外部静水压力单独作用,以及3种载荷联合作用的管道压溃压力。研究结果表明:复杂载荷条件下的有缺陷管道,尤其是当轴力和曲率比较大时,各因素对管道屈曲压溃压力影响的非线性特征逐渐明显;多种载荷的联合作用与单一载荷对屈曲压溃压力的影响是不一致的。研究结果可为实际工程中海底管道临界屈曲载荷的确定、危险位置的辨识、设计中的结构参数优化以及施工中的屈曲控制提供理论依据,从而保障海洋油气输送安全。     

基于整体海洋平台模型的下落物体撞击数值仿真

针对海洋平台受落物撞击后的性能进行研究,采用非线性有限元数值仿真方法,探讨了落物撞击模型的建模技术和参数选取,建立了整体海洋平台模型,对落物与平台的撞击进行了数值仿真,并分析了撞击全过程,得出下落物体撞击海洋平台过程中关于碰撞力、结构损伤变形及能量转换等的一般性规律。主要结论如下：海洋平台结构的碰撞损伤变形主要表现为弹性变形,绝大部分塑性变形发生在撞击区域;海洋平台整体具有较好的弹性变形性能,能够降低下落物体撞击引起的结构损伤;建模时必须建立整个海洋平台模型,以充分体现平台结构的整体性能。     

对称撞击下钢筋混凝土框架结构的非线性响应

对钢筋混凝土框架结构在集中对称撞击荷载作用下的非线性动力响应进行理论分析.分析中考虑了落锤初始撞击速度及梁柱线刚度比的影响,并通过非线性有限元分析得到撞击力随时间变化的规律、结构的位移响应和最终变形,确定了结构塑性变形的特性及耗能情况.通过分析计算结果,提出估算框架结构受撞击处最终变形的简化分析模型,进行了简化计算结果与有限元分析结果的对比,发现:相对于梁柱线刚度比,初始撞击速度对结构撞击响应的影响较大;框架结构的塑性变形主要集中在框架梁两端及跨中,且框架梁的塑性变形随着初始撞击速度的提高明显增大;框架柱有对称向外的水平位移,塑性变形相对较小.     

动态加载模拟凹坑对管道模型压溃影响

海底管道在埋设以及使用过程中极易产生凹坑缺陷,凹坑会影响管道的局部屈曲,对含凹坑缺陷管道的局部屈曲研究十分必要.当前对凹坑形成过程通过简单的静态加载进行模拟,这与实际工程实践中落物撞击的动态过程不符.本文采用有限元软件ABAQUS运用动态加载的方式对管道凹坑形成过程进行模拟,在此基础上对含有不同凹坑深度、宽度的海底管道进行局部屈曲的数值模拟,与压力舱管道试验结果对比,验证模型的正确性.对比分析动态加载与静态加载模拟凹坑的管道结果,结果表明:动态加载与静态加载两种方式对管道凹坑的模拟存在差异,当压头撞击管道的动能达到一个临界值后,动态加载模拟凹坑的管道模型的压溃压力小于静态加载的压溃压力,用静态加载模拟凹坑的管道模型分析大质量压头高速撞击形成凹坑的管道存在安全隐患.     

A320撞击刚性靶体的数值模拟及冲击载荷工程模型验证

利用通用显式动力学分析程序LS-DYNA模拟了空客A320与刚性靶体的碰撞过程,获得了飞机以不同速度撞击时的冲击载荷.通过与修正的Riera公式计算的冲击载荷对比,确定了Riera公式和冲击载荷工程模型中修正系数α的取值,并获得了α与撞击速度V₀的对应关系.根据飞机的压损载荷冲量与冲击载荷冲量之比,确定了冲击载荷工程模型中冲击载荷系数γ的取值,并获得了γ与撞击速度V₀的对应关系.工程模型与数值模拟计算的冲击载荷曲线吻合较好,验证了冲击载荷工程模型的合理性,为空客A320及相似结构飞机的冲击载荷曲线计算提供了依据.      

不同加载条件下泡沫杆的冲击动力响应

基于一维非线性质量弹簧模型,研究了不同冲击加载条件下泡沫材料杆的冲击动力响应特性. 在保证初始冲量相同的条件下,对比讨论了矩形载荷、正弦载荷、三角形载荷和倒三角载荷作用下泡沫杆内弹塑性应力波的传播过程,以及杆的动态变形特征. 给出了不同载荷作用下的冲击应力增强因子和临界冲量. 研究结果确定了不同冲击加载条件下泡沫材料的动力响应特征,对不同工况下泡沫结构的动力学性能设计具有重要的理论指导意义.      

热屈曲碳/碳化硅薄壁结构非线性振动响应特征分析

鉴于高超声速飞行器部分薄壁结构处于严峻的热声环境中,利用有限元法研究热声载荷联合作用下的复合材料薄壁结构随机动态响应。依据板壳理论构建复合材料层合板结构系统运动方程,然后将系统运动方程转换到模态坐标下,并采用有限元法数值积分求解结构随机响应;此后基于C/SiC薄板后屈曲状态下动态响应中位移和应力信息,分析了典型的非线性振动响应特征。结果表明热载荷和声载荷对处于热后屈曲状态下的C/SiC复合材料薄板结构响应的影响方式不同;与此同时,分析了结构表现出的三类典型运动:沿初始热屈曲平衡位置线性随机振动、沿两个屈曲平衡位置之间地跳变运动以及沿任一热后屈曲平衡位置小幅值随机振动。     

硬岩矿柱纵向劈裂失稳突变理论分析

应用断裂力学理论讨论硬岩矿柱初始裂纹在上覆岩层作用下贯通形成层状结构的机理, 指出裂纹间相互作用引起裂纹的失稳扩展, 从而相互连接形成层状结构. 在此基础上, 应用能量原理及突变理论推导矿柱失稳的临界载荷及临界应力, 提出矿柱发生失稳的屈曲模型. 研究结果表明： 矿柱发生失稳与分裂岩层的屈曲破坏有关;而岩层的屈曲除与岩石的材料参数有关外, 还与分裂后的厚度即裂纹的分布有关;算例计算值与实际经验值相一致, 可为合理安排开采顺序、布置采场等提供依据.     

冲击荷载作用下WinMer地基上横观各向同性浅球壳的动力分析

对冲击荷载作用下Winlder地基上横观各向同性浅球壳的非线性动力响应进行研究.考虑壳的几何非线性,建立适合任意边界的Winkler地基上浅球壳受冲击荷载作用下的非线性运动微分方程;通过分析冲击荷载与浅球壳之间的弹性接触效应和利用正交配点法,研究冲击荷载作用下Winkler地基上壳体中点位移响应随Winkler地基刚度、撞击物的初始速度、撞击物接触点位置、壳体几何性质的变化规律.计算结果表明:随着撞击物体初速度增大,Winkler地基上浅球壳中点的位移响应随之变大,且浅球壳体几何性质的变化会引起壳中点位移的变化;撞击作用接触点位置亦对Winkler地基上浅球壳中点位移响应的影响很大.     

典型大型商用飞机撞击问题数值建模及计算

基于对空客A320的结构分析,开展了大型商用飞机结构简化和建模方法研究,建立了结构较为详细的飞机有限元计算模型,确定了适当的网格尺寸;通过将飞机撞击刚性靶体的数值模拟结果与Riera理论计算结果进行对比,验证了所建立的大型商用飞机有限元计算模型的合理性以及数值计算方法的可靠性.该大型商用飞机有限元计算模型可用于飞机冲击载荷特性的进一步分析,也可直接用于飞机撞击作用下结构响应安全性评价的数值模拟.     

直杆动力屈曲的计算机模拟

阐述了动力屈曲分析的Ansys/Ls-dyna有限元理论,基于该有限元程序对两端铰接、等截面直杆在轴向动力载荷作用下的屈曲过程进行了数值模拟和分析.研究结果表明:动力屈曲可能会激发多个模态,且模态数与初始缺陷无关;动力屈曲各阶临界载荷接近静力作用下的Euler临界力;短时动力冲击作用下结构的承载力相对于静力作用下大幅度提高.     

双层海底管道隆起屈曲参数分析

海底管道在铺设安装过程中可能因为操作不当,使得管道在海底时存在局部的初始隆起.管道初始局部缺陷是诱发海底管道产生屈曲的潜在因素.管道轴向压力是导致海底管道发生屈曲的主要原因.当海底管道在高温载荷下工作时,管道将会由于温度变化引起轴向力的增大而发生隆起屈曲.对于双层管道来说,内管与外管之间的相互作用是非常复杂的,双层管的复杂结构导致其整体屈曲理论分析十分困难,因此提出了一种有限元模型,该模型利用管中管技术分析具有初始缺陷管道的隆起屈曲问题.基于该模型开展了参数分析,得到了管道初始不直度和环隙对海底高温管道发生隆起屈曲的影响趋势.同时这些计算结果对我国实际工程项目中的双层管隆起屈曲分析具有一定的参考价值.     

加环的圆筒壳在水压下的总体塑性稳定

本文利用塑性变形理论,研究由稠密分布的横向环加强的圆筒形壳在静水压下的总稳定性.由于环的分布很密,所以可把整个结构化为一个正向异性壳.假定壳内在失稳时没有卸载区域,并且根据船舶中通常的结构尺度,最后化简得到一个计算临界载荷的公式.     

轻小型无人机锂电池在冲击载荷下机械/电化学耦合失效特性试验

为研究轻小型无人机锂电池在受到冲击载荷下的动响应特性及其可能产生的内短路、热失稳以及起火爆炸的规律,我们开展了轻小型无人机锂电池在落锤冲击下的测试试验,研究了不同落锤跌落能量下撞击载荷、响应模式、电压和温度变化,结合电池的机械响应及其电化学参数变化综合分析了轻小型无人机电池的安全性。研究结果表明：电池单体在受到不同能量落锤撞击后分为三种响应模式：低能量冲击模式、中能量冲击模式、高能量冲击模式;电池冲击载荷以及电池自身的电压变化与冲击能量的变化具有明显的相关性,电池电压和冲击载荷互为影响,具有强关联的耦合特性;电池电量与电池撞击过程中的压降规律、趋势和幅度等电化学性能之间并未有明显的耦合关系,但是对电池受撞击后的着火、爆炸等安全性后果具有重要影响。     

岩石坍塌作用下埋地集输管道应力变化规律

基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,建立了岩土坍塌作用下埋地集输管道分析模型,研究了岩石坍塌作用下不同因素对埋地集输管道应力影响规律.结果表明:冲击载荷随石块边长的增加呈指数形式上升,正方体边长改变1.4 m时,冲击载荷可改变22.4 MPa.运行压力、温度、管道铺设坡度对管道壁面应力影响较小,而冲击载荷、腐蚀是埋地集输管道安全的主要影响因素.当冲击载荷大于10.5 MPa时,管道进入塑性变形区.岩石坍塌冲击载荷较大时,管道壁面最大等效应力随着管道径厚比的增加而减少.当径厚比改变了3.8,管道壁面最大等效应力可减小44 MPa;当岩石坍塌冲击载荷较小时,管道壁面最大等效应力出现极小值点.     

预静载荷作用矩形板的冲击屈曲

分析了受面内静载荷作用的弹性矩形板在随时间线性增长的冲击载荷作用下的冲击屈曲，分析了静载荷，冲击载荷速度及初始挠度对板临界冲击载荷和冲击后屈曲特性的影响。     

冲击荷载作用下Winkler地基上横观各向同性浅球壳的动力分析

对冲击荷载作用下Winkler地基上横观各向同性浅球壳的非线性动力响应进行研究。考虑壳的几何非线性,建立适合任意边界的Winkler地基上浅球壳受冲击荷载作用下的非线性运动微分方程;通过分析冲击荷载与浅球壳之间的弹性接触效应和利用正交配点法,研究冲击荷载作用下Winkler地基上壳体中点位移响应随Winkler地基刚度、撞击物的初始速度、撞击物接触点位置、壳体几何性质的变化规律。计算结果表明：随着撞击物体初速度增大,Winkler地基上浅球壳中点的位移响应随之变大,且浅球壳体几何性质的变化会引起壳中点位移的变化;撞击作用接触点位置亦对Winkler地基上浅球壳中点位移响应的影响很大。     

桅杆天线基座整体提升施工风稳定性分析

对桅杆结构风载作用下静力整体稳定进行非线性分析,研究桅杆天线基座整体提升施工的风稳定性.基于桅杆结构的非线性平衡方程,应用ANSYS软件进行结构分析.采用特征值屈曲方法求得桅杆失稳载荷的数值解上限后,以此作为非线性屈曲分析的给定载荷,在渐进加载达到此载荷前,求得非线性失稳临界解,即该基座整体提升时的稳定安全系数,及其后屈曲路径.     

钢板桩围堰结构设计及稳定性分析

钢板桩围堰适用于深水、滩涂等复杂地质,对钢板桩围堰打桩及工作过程进行了稳定性分析。采用Fluent软件对不同工况下打桩过程进行流体动力学研究并计算其动载荷。并对钢板桩稳定性进行了校核。提出流体动力学和固体力学相结合的打桩过程稳定性分析方法。采用ANSYS屈曲分析外压载荷作用下围堰整体结构的稳定性。结果表明：动载荷受幂律指数、稠度系数及静载荷的综合影响,稠度系数与流体黏度呈线性关系,幂律指数体现了流体的非牛顿性,而不同载荷作用下流体黏度也会发生变化,需结合屈曲分析结果、打桩时间等综合选择适宜打桩力。采用特征值屈曲分析和非线性屈曲分析得到的围堰临界失稳应力较为接近,非线性屈曲分析考虑了材料的非线性,包含塑性变形成分,因此临界失稳应力更大。