含初始缺陷管中管侧向屈曲过程中的动态效应研究

随着海洋油气开采深度的逐渐增加,深海石油管道在高温高压运输过程中会存在整体热屈曲现象,而热屈曲的过程中可能会存在动力效应.管中管广泛应用于深海油气输送结构,但是相关整体屈曲试验及动力效应研究很少.本文以初始缺陷波长及幅值作为变参数,对含有初始缺陷的双层管道的试验方法进行了详细介绍,并通过3组试验,对整体热屈曲试验过程中产生的动力效应现象及原因进行了分析,发现初始缺陷波长对整体屈曲过程中的动态效应起到关键作用.基于此,采用ABAQUS隐士动力分析方法建立了双层管道整体屈曲有限元分析模型,并与试验结果进行了对比,验证了模型的准确性.进而分析了管道直径大小、初始缺陷长度以及管土作用对管道屈曲过程中动态效应的产生及影响变化规律,发现了各个因素与管道中点屈曲临界力、侧向弹出速度、侧向位移以及整体动能之间的关系,通过对比分析,找到了径厚比最佳临界点以及缺陷波长与管道长度比值的临界控制点,发现管土作用对整体屈曲动态效应有显著影响,并对产生机理进行了分析,研究成果对深海油气输送双层管道结构的设计及铺设有一定的指导意义.     

深海管道外部点腐蚀缺陷对其屈曲性能的影响

基于全尺寸及缩比尺深海管道屈曲实验,结合有限元数值模拟分析,从椭圆度+点腐蚀复合缺陷的角度,研究了典型外部点腐蚀缺陷对深海管道屈曲性能的影响,探讨了静水压力下含外部点腐蚀缺陷深海管道的屈曲机理.分析结果显示,静水压力作用下,含外部点腐蚀缺陷深海管道的屈曲行为主要受到管道初始椭圆度缺陷的影响,其屈曲位置发生在管道轴向各截面最大初始椭圆度位置,而受到点腐蚀的影响很小.进一步考虑点腐蚀缺陷位于初始椭圆度缺陷短轴上的情况,结合实验及敏感性分析,研究了椭圆度+点腐蚀复合缺陷共同作用下的深海管道屈曲现象,结果显示点腐蚀对于深海管道后屈曲形态具有一定影响,但影响程度有限,同时随着点蚀深度和点蚀直径的增加,深海管道屈曲压力有降低的趋势,但同样降低幅度很小.     

深水海底管道全尺寸压溃试验及数值模拟

针对深水海底管道压溃问题,研制了深水海底管道屈曲试验装置,该装置可承受水压43MPa,全长11．5m,直径1．6m．使用该装置设计并开展了全尺寸管道压溃试验．利用ANSYS软件建立三维圆柱壳模型进行管道压渍数值模拟分析,并将试验结果与数值模拟结果进行对比,来研究径厚比、初始凹坑缺陷、初始椭圆度缺陷等因素对管道压溃的影响．结果表明,管道压溃载荷随着径厚比的增大而显著降低,单个点状凹坑缺陷对于管道压溃载荷影响较小,初始椭圆度缺陷则明显降低了管道的压溃载荷．     

基于分布浮力式的海底管道侧向屈曲控制优化

不加控制的侧向屈曲严重威胁深海油气输送管道的安全运行.分布浮力式海底管道侧向屈曲控制技术中,各个分布浮力模块对管道系统有效轴向载荷有较强的耦合作用,必须进行合理设计.为提高对管道系统侧向屈曲的控制效果,基于弹性解析模型,对大尺度海底管道系统侧向屈曲分布浮力式控制技术中浮力模块的设计参数以及布置方案进行了优化设计.算例结果表明,优化设计方案通过合理设计分布浮力模块参数以及布置方案,减少了管道系统侧向屈曲长度,降低了整体的有效轴向载荷,使侧向屈曲位移得到了较好的控制,为优化设计方法在海底管道工程中的应用提供了参考.     

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.     

含腐蚀及椭圆度缺陷管道的动态屈曲传播研究

通过建立有限元模型对海底管道的真实工况进行数值模拟,计算准静态条件下的管道压溃压力以及屈曲传播压力,并与管道全尺寸试验结果以及DNV-OS-F101规范中的计算结果进行对比,验证模型的准确性;在有限元模型中利用数据传递的方法将准静态条件下管道局部压溃的受力状态传递到动态模型中,并对管道在动态条件下的变形特点进行探究;研究管道腐蚀深度、初始椭圆度以及加载的传播压力对屈曲剖面长度、屈曲传播速度和反向椭圆度等管道动态屈曲传播特征值的影响。研究结果表明:在加载压力较小时,管道屈曲剖面长度随压力增大而减小;管道屈曲传播速度随着压力和初始缺陷的增大而加快;管道反向椭圆度的出现会阻碍屈曲沿管道轴线的传播,管道反向椭圆度随压力增大而增大。     

含缺陷海底管道屈曲稳定性的数值模拟

针对几种常见的缺陷形式,利用有限元软件进行屈曲稳定性分析,并对海底管道整体腐蚀和局部腐蚀两类缺陷进行了仿真计算,拟合得到了较为简单的含缺陷海底管道临界载荷的近似计算公式,可供工程设计人员进行相关设计和评估时参考使用,同时也为制定新的含缺陷海底管道屈曲稳定性设计规范提供了参考依据．     

轴心受压钢构件高温下局部稳定设计方法

为了得到钢构件高温下局部稳定设计方法,通过试验对建立的有限元模型进行了验证。采用验证后的有限元模型,分析了温度、板件宽厚比、初始几何缺陷、腹板和翼缘相互作用等因素对H形截面轴心受压钢构件局部屈曲应力的影响,提出了Q235钢和Q460钢H形截面轴心受压构件高温下的局部稳定承载力简化计算公式和高温下防止局部屈曲的翼缘宽厚比和腹板高厚比限值。研究表明:当板件宽厚比较小时,构件的局部屈曲应力随宽厚比的增大迅速减小,宽厚比较大时,构件屈曲应力降低不明显;初始几何缺陷对构件局部屈曲应力影响较小;高温下翼缘对腹板屈曲的约束作用比常温下明显;高温下防止局部屈曲的宽厚比限值与常温下宽厚比限值不同。     

高温高压管道悬跨段竖向屈曲数值模拟研究

管道悬跨是海底管道的常见工况,在油温和油压作用下,管道会发生竖向整体屈曲.竖向屈曲如果不加以预防或控制将导致管道发生破坏,但是针对悬跨管道竖向屈曲的研究较少.本文利用ABAQUS软件建立了悬跨管道竖向屈曲有限元模型,对悬跨管道的竖向屈曲过程进行了分析,并通过参数分析研究了悬跨长度、管道直径以及管道重量等几个重要参数对其屈曲位移和屈曲轴力的影响.结果表明,悬跨管道同样存在竖向屈曲风险;管道直径和悬跨长度是对其竖向屈曲最重要的两个影响因子;大管道直径以及小悬跨长度会导致跳跃屈曲,工程中应避免出现;小管道直径以及大悬跨长度会产生平滑的变形过程,加以控制,可以保证管道安全.     

深海管道在冲击载荷作用下的局部屈曲特性研究

水下落物撞击是海底管道的主要事故形式之一,而深水环境下的落物撞击是高静水压联合落物冲击载荷作用下的结构响应过程.采用LS-DYNA有限元软件建立了管道、海床数值模型,模拟外界水压和冲击载荷联合作用下结构动态响应过程,并通过全尺寸落物撞击实验结果验证了模型方法的可靠性.利用验证的模型方法,研究了外界水压对管道碰撞损伤及屈曲失稳的影响.研究表明:落物撞击主要对管道结构的初始稳定性造成影响,静水压力的附加做功加剧了管道的局部塑性变形.同时,随着外界水压增大,碰撞初始阶段的塑性变形越大,甚至在高静水压作用下发生即刻的屈曲失稳破坏.研究结果对复杂动力载荷作用下深海管道结构安全评估具有一定的参考价值.     

高次光滑边界单元的构建与性能

基于 Lagrange 插值多项式, 实现了高次边界单元形函数系数的计算机自动生成. 在已有闭合单元的基础上, 充分利用粒子几何形状的特性构建了高次光滑边界单元. 数值算例表明, 与传统的二次单元和闭合单元相比, 高次光滑边界单元能够较大地提高椭圆和椭球粒子数值模拟的计算精度与效率.     

BCI－代数的换位元

在ＢＣＩ一代数中引入了换位元的概念．证明了换位元的若干重要性质，讨论了换位元与极大元、极小元以及半群之间的关系．     

钢筋混凝土平面单元研究

对目前已有钢筋混凝土有限元模型进行了研究分析,指出了这些模型存在的问题;同时,建立了较符合结构实际和材料的力学状态的钢筋混凝土有限元模型,导出了这些模型的单元刚度矩阵。这里,仅是有关钢筋混凝土平面单元的研究。     

拟协调新列式单元的特性研究

为了使拟协调新列式单元在理论上更完善，实际中更适用，通过对单元列式的分析讨论，论证了它们与对应的位移等参元之间的关系和构造这种单元的一般规则。证明了在非常简单的条件下，它们通过分片试验。     

不规则波导本征值的边界元解

应用边界元法求解不规则波导的本征值,给出了混合元计算的Ｈ和Ｇ矩阵的计算公式,并通过算例验证了算法的正确性     

大型汽轮发电机若干部件有限元分析模型探研

本文提出采用有限元板壳单元模型来模拟大型汽轮发电机若干部件的力学分析模型,通过理论与有限元计算分析可见,采用这样的模型,可以简化模型的建立,简化计算,并能取得与理论上加筋用梁模型所获得的效果和计算精度.本文提出的简化模型有效性已经在若干发电机力学问题的分析中获得验证.     

直角坐标架下的精化不协调元法

在直角坐标架下直接插值，建立了满足收敛要求的不协调元法；其列式比等参不协调元法简单，直接、且不失一般性，由此建立的平面四边形单元精度高且可推出单元刚度阵显式。     

岩土类摩擦材料单元力学模型探讨

根据岩土类摩擦材料的特性,基于力学基本原理,建立岩土类摩擦材料的单元力学模型.有限元对比计算结果表明,考虑摩擦的单元模型比较符合工程实际.     

基于压电致动器的有限元分析

由于压电智能结构装置变得越来越复杂化和多样化，给智能结构的设计和优化分析带来困难．为了定量地分析影响执行器与结构材料之间变形传递关系的因素，使用有限元商业软件成为一种方便快捷的途径．使用专用的有限元软件建立单面粘贴压电元件悬臂梁的模型，通过计算分析粘接层和压电层性质(弹性性质和厚度)对执行器与结构材料之间变形传递关系的影响．     

关于格中的大元与小元

本文在具有单位元和零元的格内引入了大（小）元概念，研究了其基本性质；在序元的定义下，给出了在某种条件下，大（小）元的特征；最后探讨了大元与极小元（即原子）以及小元与极大元（即对偶原子）的关系。