海底悬空管道弹性约束静态分析

由于海浪的冲刷，海底管道会出现悬空段，当悬空段较长时，管道在波浪及海流的作用下将会发生破坏。对海底悬空管道所受的环境载荷进行了计算，把海底土壤对管道的约束视为弹性约束，推导出了弹性约束时的系数矩阵，建立了相应的有限元分析模型，并开发了相应的计算机软件。该软件不仅可以计算立管与水平管连接处悬空管段的强度，还能计算静强度下的临界悬空长度。将弹性约束与刚性约束时的计算结果进行了对比，结果表明，当海底地层较硬时，弹性约束与固定端约束的计算值相差不大；当地层较软时，弹性约束时管道中的最大应力比固定端约束的要大，而临界悬空长度相差不多。     

海底管道允许悬空长度计算研究

海底管道中的悬跨段在波和流的联合作用下极容易发生疲劳和局部屈曲破坏.而悬空管道的长度是影响破坏的关键因素.本文针对管道悬空的允许长度,考虑涡激振动带来的疲劳损伤等情况,利用涡激振动响应模型和Miner疲劳累积损伤准则,分别从动态临界跨长,疲劳筛选临界跨长,疲劳损伤临界跨长和极限状态临界跨长四个方面进行计算.应用Matlab编制计算软件,进行实例计算,获得不同状态条件下海底管道允许悬跨长度,可为海底管道的设计与安全性的评估提供参考.     

连续跨海底悬空管道动力响应非线性有限元分析

摘要：针对海底连续跨悬空管道的动力响应,本文摒弃传统欠精确的管跨两端固支处理方法,并基于弹性地基梁理论,考虑管线与海底土壤之间的非线性作用力,采用ANSYS有限元分析软件建立了管土耦合非线性有限元模型。与单跨海底悬空管道对比,讨论双跨管道的动力响应特性,分析得到双跨管道自振频率特性以及跨间管土耦合长度对管跨动力响应的影响规律,并进一步分析得到管道最大应力最小时的跨长与跨间管土耦合长度的比例关系,即管跨最安全的结构比例。分析结果对海底悬空管道的预防及治理,保障海底管道的安全运行具有较大的借鉴意义。     

海底管道边界条件类型及其对走管行为的影响

针对深海海底管道两端通常与井口、悬链线立管、器管收集器等相连,管道端部边界条件复杂的情况,为了探究不同的管道边界条件对走管行为的影响,将海底管道端部边界条件简化为3种类型,即类型Ⅰ两端水平力、类型Ⅱ一端水平力一端倾斜力和类型Ⅲ一端弹性边界一端水平力,建立不同边界条件下海底管道走管数值模型,对比分析不同类型边界条件下海底管道走管行为。结果表明：类型Ⅱ边界条件与类型Ⅰ相比,随着管道端部拉力倾角增加,管道轴向拉力减小,走管量也减小,管道拉力倾角从0°增至60°,最大轴向拉力减小6.73%,走管率减小50%,这意味着悬链线立管形态改变,使得作用于海底管道的拉力方向改变,相应的海底管道走管量也随之改变;类型Ⅲ与类型Ⅰ边界条件相比,类型Ⅰ边界条件下海底管道走管率为恒值,随着升降温循环次数的增加,海底管道走管量近似线性增长;类型Ⅲ边界条件下海底管道走管率受器管收集器弹性刚度影响,弹性刚度越大,第1次升降温循环走管率越大;随着升降温循环次数增加,管道走管率快速衰减,直至为0,类型Ⅲ边界条件下多次升降温循环最终走管量通常小于类型Ⅰ。3类边界条件下海底管道走管行为差异很大,可为实际工程中分析海底管道端部边界条件类型、选定合适的边界条件提供参考。     

埋地悬空管道弹塑性受力分析与计算

埋地管道在各类地质灾害的作用下,可能导致管道下方土层塌陷或流失,使管道局部处于悬空状态,严重威胁管道的安全运行.首先,基于弹塑性地基梁理论,根据管道不同受力情况将管道划分为悬空段、塑性段和弹性段,分段建立管土相互作用下管道挠曲微分方程,并结合边界条件和连续条件给出悬空管道挠度和内力的求解方程;其次,采用遗传算法求解悬空管道挠度,以提高计算效率与计算精度;最后,忽略管道的轴向荷载,推导出悬空管道塑性区长度上限值.算例分析表明,与文献中的悬空管道力学模型相比,理论解与有限元数值模拟吻合最好,可用于工程设计与分析.     

悬空油气管道风振分析及控制措施研究

当横风作用于悬空管道时,由于伯努利效应会产生涡旋,涡旋的频率与管道的固有频率接近时,管道会发生周期性振动,在工程中要坚决避免风振现象。从悬空管道及风产生的涡旋的频率出发,以悬空管道的长度为控制因素,形成了一种有效计算悬空管道风振效应的方法。     

X80输气管线悬空状态下的安全评价

X80管线在我国西部恶劣复杂的环境中运行时,各类地质灾害经常造成管道悬空现象,严重影响管道的安全运营。在万能材料试验机上对X80管线进行拉伸试验,得其本构关系,为仿真计算提供依据。借助弹性地基理论、Winkler假定对悬空管道力学模型进行分析,应用基于应变准则的失效判据来判断管道的安全状态,并用有限元软件ABAQUS对X80悬空输气管道的安全状态进行模拟与分析。结果表明:最大应力、应变及挠度与悬空长度、管径比(D/t)呈正相关;悬空管道的危险点,位于埋设段与悬空段交汇处。这些结论为悬空管道的安全评估提供了一定的理论基础。     

服役海底管道钢疲劳可靠性试验与海底管道寿命预测

针对波浪力下海底管道悬空段的疲劳寿命问题,从某服役X60钢海底管道悬空段上取样进行拉-拉成组多级疲劳试验,获得服役X60钢海底管道试件在不同应力水平下的疲劳寿命及其概率统计分布,利用参数假设检验法确定X60钢管道试件的疲劳寿命分布特征,由此外推出不同存活率下的疲劳对数寿命与等效循环应力之间的线性关系式.通过引入"疲劳极限复合修正系数"和"等价非对称循环度系数"对X60钢试件的P-S-N曲线进行修正,得出X60钢海底管道悬空段的疲劳寿命预测公式.结合试验结果分析表明:X60钢海底管道试件的疲劳寿命服从对数正态分布;疲劳对数寿命与等效循环应力之间近似为线性关系;海底管道疲劳寿命预测公式计算结果与试验数据吻合良好.     

含端部弹性约束和铰支约束压杆的稳定性问题研究

弹性压杆在工程中有广泛应用,压杆的失稳问题是压杆失效的重要原因之一,是压杆可靠性优化设计中需要重点关注的问题,临界载荷的计算方法和表达式是数学建模和优化的基础.本文针对含端部弹性约束和铰链支撑约束压杆的临界失稳问题进行探讨,提出了解析分析方法,得到的结果当弹性约束刚度系数分别为无穷大和零时,将分别简化为一端固定一端铰支和两端铰支的压杆临界失稳载荷计算结果,本文的分析方法和结论对含多个弹性约束的压杆失稳问题研究都有一定的参考意义.     

基于蒙特卡洛法的埋地悬空管道结构可靠度分析

为了计算埋地悬空管道的可靠度,基于蒙特卡洛统计模拟法,结合受力特征,建立了埋地悬空管道结构可靠度计算模型并计算了某黄土湿陷区埋地悬空管道的可靠度。为了描述不同影响因素对管道可靠度的影响程度,从管道失效概率的角度定义了参数的敏感性指标,对管道设计中经常涉及的管道外径、壁厚、埋深、悬空长度、屈服强度、温度差、管道内压7个随机变量进行了敏感性分析,讨论了参数的变化对管道可靠度的影响。结果表明:建立的埋地悬空管道可靠度计算模型能够对埋地悬空管道的可靠度进行计算;管道的悬空长度对可靠性影响程度最大,最大程度减小管道的悬空长度,适当减小管道埋深,降低管道内压,增大管道壁厚和屈服强度,有助于提高管道的可靠度。     

地层塌陷区段埋地管道变形与应力分析

已有文献都是基于Winkler地基梁模型来研究塌陷以及悬空等对管道安全的影响,还没有采用其他力学分析模型的报道.分别采用Winkler和理想弹塑性地基梁模型,研究地层塌陷对管道安全的影响.建立了管土相互作用的几何大变形力学分析模型,采用非线性理论对力学模型求解.分析结果表明:在管道的屈服应力较小的情况下,为简化工程计算可采用Winkler模型计算临界塌陷区长度,较弹塑性模型简单,便于工程应用;当地层塌陷区长度较小时,为简化计算可采用Winkler模型分析管道的变形与应力;弹塑性模型可忽略土弹簧刚度对管道分析结果的影响,而Winkler模型则要考虑土弹簧刚度对其的影响.给出了使管道失效的临界地层塌陷区长度,所得结果可供工程设计参考.     

爆炸荷载作用下土埋圆柱壳动力屈曲分析

为研究爆炸动载作用下土中圆柱壳结构的动力稳定特性, 依据爆炸动载作用下土埋圆柱壳的受力特征,建立了考虑土与圆柱壳相互作用的土弹簧-柱壳计算模型,应用非线性有限元方法进行了数值计算。在圆柱壳结构动力屈曲过程数值分析的基础上,运用B-R屈曲准则判定土埋圆柱壳在爆炸动载作用下的屈曲临界荷载,并重点讨论了土层变形性质对圆柱壳屈曲荷载的影响,得到了土中圆柱壳屈曲荷载和土体弹性常数K的定量关系。结果表明,屈曲荷载随土体弹性常数的增大而非线性增大。     

水平静荷载作用下箱筒型基础防波堤位移特性的离心模拟

通过离心试验对箱筒型基础防波堤在水平静荷载下的位移特性进行了研究.研究表明:防波堤发生向港侧转动,海侧和港侧分别发生向上和向下位移,整个防波堤发生向港侧水平位移.地基土体强度越大,转角、港侧竖向位移量和水平位移量越小,而海侧竖向位移量越大.荷载比大于屈服荷载比后,位移速率显著增大,地基土体强度越高,屈服荷载比越大.     

特高压单柱拉线塔的静力稳定性分析

拉线塔在地广人稀的地区具有性价比优势,对于特高压拉线塔,受到的载荷变大,结构尺寸也变大,需要进行稳定性的分析。针对特高压单柱拉线塔的静力稳定性问题,建立拉线的分析模型,定义并推导出拉线的等效弹性模量以及拉线临界初应力的公式,将拉线塔的主柱简化成顶端为弹簧铰支座、底端为固定铰支座的压杆,推导出弹簧的弹性刚度与主柱的计算长度系数的公式;研究了不同风荷载以及不同拉线初始预应力的情况下计算长度系数的变化规律。研究结果表明：在拉线预应力保持不变的条件下,风速越大,计算长度系数越大;在风速保持一定的条件下,拉线的初始预应力越大,计算长度系数越小;预应力超过临界初应力时,主柱的计算长度系数不再减小且恒为1。可见将拉线的初始预应力设置为大于等于临界初应力可提高拉线塔的稳定性,拉线的临界初应力可以作为实际施工的参考。     

弹性固定压杆临界力的试验－估算法

本文将细长压杆的弹性固定端转化为近似等效的外延跨．并依据横力弯曲试验确定外延跨度．给出了弹性固定细长压杆的临界力．     

基于LABVIEW的主轴静刚度检测系统

为准确掌握理想工况下机床承受的最大载荷,依据静刚度计算原理建立了主轴组件的静刚度数学模型,采用LABVIEW开发了主轴静刚度检测系统。以CA6140型机床主轴为检测体,通过施加不同载荷获得了主轴组件的位移。结果表明：主轴组件在外载荷作用下发生弹性变形,载荷增加,主轴变形量也增大。外载荷达到5000N时,主轴组件的静刚度达到最小,主轴变形最大。当外载荷大于5000N时,主轴组件的静刚度不再增加,开始出现振荡。若继续增大载荷,主轴达到强度极限后会发生断裂。该检测方法直观、准确、可靠。     

线性弹性Timoshenko梁的屈曲与分叉

在假定梁不可伸长的基础上,给出了描述几何非线性、物理线性的大挠度Timoshenko梁的变分原理,由此导出了大挠度Timoshenko梁平面静动力学分析的边值问题.在几类边界条件下,具体求解了线性弹性Timoshenko梁的临界载荷,并与Euler梁的结果进行比较.讨论了细长比(横向剪切变形)对梁的临界载荷的影响,给出了不同端部条件下,线性弹性Timoshenko梁的无量纲临界载荷.通过数值计算,分析了弹性Timoshenko梁在临界载荷处的屈曲和分叉以及稳定性,并与理论值进行了比较.     

给排水管底土层的承载力分析

管道是公路工程和城市建设的重要组成部分,合理的管底土层承载力是避免管道破坏的重要保障之一。本文把管道等效成条形基础、检查井等效成矩形或圆形基础,对管道设计通用图纸有关承载力规定的合理性进行了详细讨论,结果表明：当深度大于1m时,满足要求时的土层承载力特征值很小;对于检查井等结构物,随外径和地表单侧轮重的不同,对检查井底部土层承载力特征值的要求也是不同的,甚至会出现承载力特征值非常大的情况,这说明通用图纸规定的要求不再适用。当土层承载力不足时,应采用换填垫层的进行处理,同时应满足软弱下卧层的承载力要求。垫层会增加沉降差,且管底土层越好,垫层的增加作用越不明显。然而总的来说,管道的沉降差是非常小的,不足以造成管道损坏。根据实际情况,为最大限度避免管道破坏,同时使管道沉降、管底承载力均满足要求,本文提出了一个简单的管底土层处理原则。     

火灾环境下变截面杆的临界荷载和临界长度

根据弹性稳定理论研究了变截面杆在火灾环境下的静力特性问题，导出了火灾条件下变截面杆件的静力稳定临界荷载和临界长度计算式，讨论了温度、长细比、杆件截面形式、材料特性等因素对杆件稳定临界荷载和临界长度的影响。研究表明，温度、长细比、杆件截面形式、保护层厚度对杆件稳定临界荷载和临界长度影响较大，构件自重的影响可忽略，在此基础上给出了不同约束条件下杆件的计算参数。