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。     

海底管道涡激振动疲劳可靠性分析

海底管道悬跨管段在波流联合作用下非常容易发生疲劳破坏,故提出管跨非线性涡激振动疲劳失效可靠性分析方法．通过多项Galerkin方法对海底管跨的涡激振动方程进行求解,获得系统的非线性动力响应;综合考虑管跨疲劳可靠性评估中相关参数和程序的不确定性,运用现代断裂力学的方法对管跨进行疲劳可靠性评估．分析了几个重要参数对管跨疲劳失效的影响程度,建立了基于裂纹扩展理论的海底管道疲劳可靠性分析的方法．通过实例计算与分析,验证了该方法的适用性和可靠性．     

悬跨段海洋管道非线性自由振动分析

根据有限变形理论,大变形管道的运动可视为在静平衡位置附近的小振幅运动,在已知铺设中管道静平衡位置的基础上,利用样条函数配点法研究了管道面内和面外的非线性自由振动;发现管道自由振动频率随张力增大而减小,随水深增加而增大。     

基于非线性理论的海底管跨涡激共振可靠性研究

海底管跨的涡激振动是引发管跨共振失效的主要因素．为此，考虑波浪水质点与海底管线管跨段振动间的相对运动速度以及波浪和海流的联合作用，对传统的波浪载荷计算方法进行了改进，引入了波浪激励载荷中的二阶平方阻尼项，从而建立了海底管跨的非线性涡激振动方程．同时，基于非线性振动特性，将倍频共振和亚频共振的概念引入管跨的涡激共振失效分析方法中，建立了相应的极限状态方程和管跨涡激共振长度预测公式，在此基础上提出了管跨的涡激共振失效可靠性分析方法，并通过算例验证得出海底管跨倍频涡激共振长度小于基频共振长度和亚频共振长度．建议在预测管跨的共振长度时，考虑管跨发生倍频共振时的长度，以保证其可靠性．     

海底悬空管线流固耦合涡激振动建模

本文提出考虑流固耦合时非线性涡激升力公式,建立并推导考虑流固耦合时海底悬空管线运动控制微分方程,这不仅在理论上有非常重要的意义,也为工程项目提供了可靠的理论依据。     

地震作用下海底悬跨管道水动力计算模型

在不同方向的地震动输入下海底悬跨管道的动力响应存在差别.基于Wake模型,提出了三维地震输入下的海底悬跨管道的水动力模型,并推导了有限元控制方程.建立有限元离散模型模拟模型试验工况,进行了正弦波和El Centro模拟地震波输入下海底悬跨管道的动力分析.通过数值计算和模型试验的结果比较可以看出,考虑地震动输入方向影响的Wake模型能够应用于海底悬跨管道的地震响应分析,其计算结果与试验结果符合得较好.     

高温高压下海底管道水平向整体屈曲研究现状分析

海底管道水平向整体屈曲是深海油气管道安全性设计及稳定性分析的重要组成部分.伴随着全球深海油气资源的开发,海底管道水平向整体屈曲问题备受关注,近40年中取得了重要的研究进展.本文详述了海底管道水平向整体屈曲的发生机理及研究发展历程.分别从整体屈曲的理论研究、管土相互作用及管道热屈曲模型试验、整体屈曲数值模拟方法、整体屈曲防护措施及工程应用等几方面,阐述了高温高压下海底管道水平向整体屈曲的研究成果,并提出了今后的研究方向.     

地震激励下海底悬跨管道动力响应的数值分析

为开展地震激励下海底悬跨管道的动力响应分析,考虑海流-地震荷载耦合作用建立修正的Morison方程并推导管道运动方程,建立多点地震输入非线性数值分析模型,动力响应分析结果与已有海底管道的水下模型试验结果吻合较好.在此基础上探讨管道悬跨长度、悬跨高度、管道内有无液体和多点地震输入等因素对管道动力响应的影响.结果表明:管道悬跨长度、悬跨高度是影响管道动力响应的主要因素;悬跨长度每增加1倍,应力会增加37.1%;悬跨高度增加1倍,应力增加21.8%;多点输入工况下应力增加38.7%;满水管道应变平均增加27.1%.     

考虑脉动风速的悬索跨越管桥涡激振动响应及疲劳分析

对悬索跨越管桥涡激振动响应及疲劳进行分析.考虑风速的脉动特性,利用Morison方程推导涡激耦合力,将动力载荷传递到管桥节点对结构动力响应进行分析:依据Miner理论对不同工况下管道和钢丝绳疲劳寿命进行计算.研究结果表明:考虑脉动风速时,随风速变化而变频变幅的涡激载荷力对结构振动的影响有限,并起到抑振的效果:结构的振动响应在4.0,8.0,9.5和11.5 m/s时出现峰值,最大竖向和横向振动幅值分别发生在风向攻角为00和90.时:管道结构的疲劳寿命随风速的增加明显缩短.     

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。     

应用弹性地基梁法计算斜拉桥无索区长度

为简化斜拉桥的无索区长度计算,将斜拉索支承的主粱等效为弹性地基梁,参照特征长度的概念,给出斜拉索支承结构与多跨连续结构的简单类比.考虑影响线加载的方便,用简支简化模型代替连续梁模型,求解出等效跨度.考虑无索区端部约束和无索区主梁与斜拉桥主梁的连接方式,给出无索区的取值范围,并以223 m斜拉桥跨与60 m刚构协作形成的斜拉-刚构桥金马大桥为例,研究变截面无索区长度的求解.该方法可为选取合理的无索区长度设计初值提供参考.     

求统计量容许区间的一种方法

由于统计量的容许区间随所选取的显著性水平 0≤α<1不同而变化,故它在很大程度上受主观因素的影响。本文为解决这一问题,利用信息论中熵的计算公式,提出求统计量容许区间的一种新方法,并得出常见统计量的容许区间。     

基于屈曲失稳判据的冷连轧断面形状可变域求解

由于冷轧过程的大张力轧制特点以及金属横向流动性与热轧有很大区别,因此在热轧中广泛应用的Shohet判别式不能很好应用于冷轧. 在对冷轧大张力条件下的板形生成机理进行分析的基础上,提出能够更好适用于冷轧的基于屈曲失稳判据的断面形状可变域求解方法,该方法可以求解得到针对不同屈曲模态的产品断面形状可变域与来料断面形状允许范围. 将该方法应用于国内某连轧机生产,给出其来料断面形状允许范围,比原有允许范围更符合现场实际且内容更为完善.     

刚性基础下柔性桩复合地基有效桩长的计算方法

从柔性桩有效桩长的沉降出发,通过弹性理论和Mindlin位移解分别推导出桩顶和桩间土顶的沉降量计算公式。根据在刚性基础下桩土顶面的位移协调条件,推导搅拌桩有效桩长的计算方法,利用室内试验结果对推导所得的公式进行简化,从而得到便于工程应用的复合地基有效桩长的计算方法。数值计算结果表明,桩身弹性模量(Ep),桩间土弹性模量(Es)和泊松比μ的取值对有效桩长的计算结果有明显的影响。在实际设计中的Ep,Es和μ的取值应该根据现场试验结果来确定,使计算结果能更好地与实际结果相符。此外,将推导所得计算公式与现有的一些计算方法进行比较分析,结果表明,当Ep/Es为50左右时,有效桩长的计算偏差约为5％。现场试验结果表明柔性桩复合地基的Ep/Es值一般也为50左右,因此,可以认为推导出的有效桩长的计算方法具有实用价值。     

腐蚀管线的剩余寿命预测

预测管线的腐蚀变化趋势及腐蚀对管线结构完整性的危害是评价管线剩余寿命的关键步骤。将影响管线剩余寿命的各种因素看成是分布各异的随机变量，建立了预测管线失效的概率数学模型。利用这一模型，研究了腐蚀速率、缺陷深度、管道壁厚和工作压力等因素对管线可靠性的影响。结果表明，各参数的不确定性越大，管线的可靠性越低；缺陷深度在腐蚀缺陷形成初期，对管线的可靠性有很大影响，而随着时间的推移，腐蚀速率将对管线的可靠性有较大影响。对一条输油管线，基于管线腐蚀检测数据，对1km长度的管道进行失效概率统计分析得到的腐蚀速率能够对管线全线的安全状况做出合理预测，从而为管线的进一步维修与检测提供参考资料．     

腐蚀管线的剩余寿命预测

预测管线的腐蚀变化趋势及腐蚀对管线结构完整性的危害是评价管线剩余寿命的关键步骤。将影响管线剩余寿命的各种因素看成是分布各异的随机变量 ,建立了预测管线失效的概率数学模型。利用这一模型 ,研究了腐蚀速率、缺陷深度、管道壁厚和工作压力等因素对管线可靠性的影响。结果表明 ,各参数的不确定性越大 ,管线的可靠性越低 ;缺陷深度在腐蚀缺陷形成初期 ,对管线的可靠性有很大影响 ,而随着时间的推移 ,腐蚀速率将对管线的可靠性有较大影响。对一条输油管线 ,基于管线腐蚀检测数据 ,对 1km长度的管道进行失效概率统计分析得到的腐蚀速率能够对管线全线的安全状况做出合理预测 ,从而为管线的进一步维修与检测提供参考资料。     

玻璃纤维增强聚合物抗浮锚杆的临界锚固长度计算

考虑到抗浮锚杆的工作机理与抗拔桩相似的特性,基于理想同心薄壁圆柱体剪切模型及抗浮锚杆剪应力分布简化模型,推导出GFRP抗浮锚杆的临界锚固长度的解析式,并以工程实例检验该方法的合理性。研究结果表明：本文提出的GFRP抗浮锚杆临界锚固长度解析计算方法是可行的,将理论临界锚固长度的2/3作为GFRP抗浮锚杆实际锚固长度参考值,可以在保证承载性能的前提下提高材料利用率。GFRP抗浮锚杆临界锚固长度理论值随锚杆杆体-岩土体弹性模量比值的增大而增大,但在该比例逐渐变大的过程中,临界锚固长度增长幅度逐渐降低。此外,增加杆体半径亦可提高理论临界锚固长度。研究结果可为GFRP抗浮锚杆的推广使用提供理论依据与实践参考。     

单芯偏心电缆单位长度电容的计算

通过对计算得出的两个相互平行的、带等量异号的直长线电荷电势分布特点的分析,根据静电场中场强唯一性定理,计算出了单芯偏心电缆单位长度的电容。     

地下管线对通信电缆的屏蔽效应计算方法

提出了一种同时考虑感性耦合和阻性耦合时的地下管线对通信电缆的电磁屏蔽模型,以管线节点电流代替管线单元电流进行插值,改进了传统电磁屏蔽效应计算方法。在此基础上,进行了地下管线对地下通信电缆的电磁屏蔽系数计算,探讨了屏蔽保护的规律。计算结果表明,管线粗细和端接阻抗将明显影响屏蔽保护效果。     

丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物管许用应力的确定

以常温下丙烯腈／丁二烯／苯乙烯共聚物管(ABS管)爆破压力试验数据为基础，根据爆破失效设计准则确定该管许用应力初始值，并依据其拉伸蠕变试验数据，得出其性能受时间影响的修正系数，通过对许用应力初始值的修正，给出适用于工程设计的许用应力。