深海脐带缆弯曲加强器时域疲劳敏感性分析

摘要：
鉴于聚合物材料制作的弯曲加强器非线性特性显著,传统频域疲劳分析方法已不适用,而疲劳强度是弯曲加强器设计关键难点,建立了弯曲加强器分析的数学模型,给出了基于数学模型的弯曲加强器疲劳分析方法.从整体到局部进行时域疲劳分析,对影响弯曲加强器疲劳性能的参数进行敏感性分析,讨论了各个参数对弯曲加强器疲劳性能的影响.文中提出的方法和所得的结论可为深海脐带缆弯曲加强器分析设计提供参考.
关键词：
脐带缆; 柔性管; 弯曲加强器; 疲劳分析; 敏感性分析
中图分类号： P 751
文献标志码： A     

含复合材料结构的非黏结柔性立管弯曲特性

非黏结柔性立管常用于将海底油气资源输送到平台,有时因设计需要会包含复合材料圆柱壳层结构.以一类8层的非黏结柔性立管为研究对象,分析了含有复合材料圆柱壳层结构的非黏结柔性立管的弯曲特性.提出了一种作用于非黏结柔性立管的轴对称载荷和弯曲载荷联合作用的理论模型,同时建立了计及详细几何特性的非黏结柔性立管数值模型进行了验证.分析了两种典型复合材料及其纤维体积分数对非黏结柔性立管弯曲特性的影响.理论与数值结果吻合较好,计算结果表明：非黏结柔性立管的弯曲特性受复合材料圆柱壳层轴向弹性模量影响较大,轴向弹性模量较大的复合材料会较大地增强完全滑移阶段的非黏结柔性立管的弯曲刚度.非黏结柔性立管的轴向抗拉刚度和完全滑移阶段的弯曲刚度都随着复合材料圆柱壳层的纤维体积分数增大,接近线性增强.     

柔性双段腿的SLIP模型参数敏感性分析

为了反映腿部多段串联的多参数耦合特性,以SLIP(spring loaded inverted pendulum)模型为基础,建立了小腿含有串联线性伸缩弹簧的机器人柔性双段腿动力学模型。通过仿真分析其运动,获得柔性双段腿弹簧刚度、触地角度、虚拟腿长、膝关节角度、质量分布等参数的稳定域。通过对各个参数稳定域进行归一化处理和曲线拟合,获得参数稳定域变化曲线及参数敏感度排序。最后基于ADAMS与MATLAB联合仿真验证了柔性双段腿模型中参数敏感度排序的正确性。     

深海采矿扬矿管几何非线性静力分析

针对深海采矿输送系统中阶梯扬矿管承受轴向力过高容易断裂和连接部位容易出现应力集中的问题,提出一种低密度和高强度的碳纤维复合管应用于深海采矿输送系统.根据扬矿管在采矿船静止和等速拖航运动时,受到管道和管内流体重力、浮力和海水阻力作用的情况,采用有限元对碳纤维复合管和阶梯钢管进行计算分析.研究结果表明:当采矿船静止时,碳纤维复合管的弯矩和弯曲应力与阶梯钢管的差别很小,但碳纤维复合管的轴向力不到阶梯钢管的1/4,相比阶梯钢管,碳纤维复合管能承受更大的轴向载荷;当采矿船以0.5 m/s等速拖航时,2种扬矿管的轴向力、弯矩相比采矿船静止时变化不大,但碳纤维复合管的弯曲应力比阶梯钢管小一半,可克服阶梯管刚性连接时弯曲应力过大的缺点.     

非黏结柔性立管骨架层失效数值计算方法

计入骨架层铺设角度、初始椭圆度、材料非线性,对相邻表面分别采用黏结耦合、摩擦系数不为零的库伦摩擦和光滑摩擦3种接触条件,基于ABAQUS研究了一类非黏结柔性立管骨架层在均匀外压和对径压缩力下的失效特性.计算结果表明:骨架层相邻表面间接触条件对失效特性影响较大;铺设角度对骨架层失效特性的影响可忽略不计;计入初始椭圆度和材料非线性后,均匀外压下骨架层临界压溃值大幅降低,对径压缩力下径向位移大幅增大.文中数值方法可弥补理论方法无法计入上述因素对骨架层失效特性影响的缺陷.     

膨胀管分离装置设计参数的敏感性分析

采用ANSYS/LY-DYNA对膨胀管分离装置的爆炸分离过程进行仿真分析. 针对影响分离装置分离性能的主要设计参数建立有限元模型,对分离性能进行预示和分析,获取炸药索装药量、削弱槽处的厚度、削弱槽倒圆半径、分离板厚度、分离板韧性、扁平管硬度和填充物硬度等相关设计参数对分离装置性能的影响. 结果表明：炸药索装药量和分离板厚度对分离性能影响较大.     

段塞流诱导柔性立管振动响应实验分析

在气液两相循环实验系统中开展了水动力段塞流诱导的悬链线型柔性立管振动响应测试,利用高速摄像非介入测试方法同步捕捉了柔性立管的振动位移与管内的段塞流动细节,预测了气体表观流速对水动力段塞流诱导柔性立管振动响应的影响规律,分析了振幅响应、模态权重、频谱变化以及管内流动特性.结果 表明,随着气体表观流速的增大,振动幅度逐渐增...     

柔性测量臂运动学建模及参数标定方法

利用局部指数积模型,建立了6自由度参数的运动学模型,克服了传统D-H模型只有4自由度参数的缺点,考虑了沿Y轴平移和绕Y轴旋转2个自由度运动学参数的误差对测量精度的影响.以单点测量值的标准差为目标函数,采用基于模拟退火的粒子群优化算法,通过全局寻优,避免了最小二乘法在求导和求逆时产生的较大计算误差,从而优化出运动学参数的标定值.实验结果表明,所提出的新模型及新运动学参数标定方法可以将柔性测量臂X、Y、Z轴的重复性精度分别提高95.91%、96.42%和96.10%.     

新型弹簧支撑介电弹性作动器的力学特性建模及参数影响分析

为了研究新型弹簧支撑介电弹性作动器参数对其力学性能的影响规律,基于热力学理论建立了作动器力电耦合模型,提出了作动器内置弹簧刚度和驱动变形表征方法,并通过试验进行了验证,在此基础上分析了薄膜参数对作动器力学性能的影响。结果表明:该作动器在电压驱动下表现出了良好的轴向驱动特性,建立的力电耦合模型能够描述作动器的静态力学性能;作动器的静态刚度随薄膜轴向拉伸比、薄膜横截面积的增加而增大,随薄膜径向拉伸比、作动器有效长度及弹簧压缩量的增加而减少;而增大轴向、径向的拉伸比和薄膜横截面积可提高作动器的驱动性能。可见,研究结果可为作动器的设计和性能优化提供理论依据。     

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.     

双驱动型单向弯曲柔性关节弯曲特性

针对气动柔性关节在低气压下弯曲角度受限的问题,采用两个人工肌肉作为动力源进行驱动,设计了一种新型气动柔性关节.该关节由两个人工肌肉并联而成,具有1个自由度,能实现较大的弯曲变形.给出了关节的结构功能和工作原理,基于力/力矩平衡原理分析关节的弯曲特性,搭建试验系统研究关节的弯曲角度.理论分析和试验结果表明:双驱动型单向弯曲关节在低气压下也能实现较大的弯曲角度,关节的弯曲角度与气压呈非线性关系,且随关节结构参数的改变而改变.     

柔性触觉传感器用力敏导电橡胶力学灵敏度研究

以炭黑(CB3100)为导电相,硅橡胶为基质制备导电复合材料.研究了基于力敏导电橡胶的柔性触觉传感器灵敏度随复合材料的填料用量,不同种类填料并用而变化的特性.对材料的弹性形变、炭黑和填料并用的网络化进行了分析.通过实验,获得了在不同填料配比下的力敏导电橡胶的横向和纵向力灵敏度,渗流区不同位置下的灵敏度.实验表明,当炭黑(8%)和SiO2(27‰)并用时,复合材料电阻刚好处于渗流区的高阻态端,弹性模量较低,力学灵敏度高.采用体压阻效应与界面压阻效应相结合的方式制作柔性触觉传感器可获得较高力灵敏度.     

具有非线性迟滞特性的大挠度弹性联轴器建模

本文在对大挠度弹性联轴器振动试验数据进行处理和分析的基础上，用拟合分解法以及阻尼等效原理，提出一个与振动位移幅值有关的非线性迟滞恢复力数学模型，分析表明，该数学模型能很好地描述联轴器的非线性动刚度和阻尼等动态特性对迟滞恢复力的影响，为深入研究船舶推进轴系的振动特性提供了联轴器的数学模型。     

SiO2和TiO2缓冲层对柔性ITO薄膜 弯曲特性的影响

讨论了柔性ITO薄膜在弯曲时导电能力失效的机理及影响因素.考察了SiO2和TiO2作为无机缓冲层的加入对于柔性ITO薄膜弯曲特性的影响.实验结果及分析表明,材料间的失配系数,结合力以及薄膜缺陷是影响ITO薄膜弯曲特性的主要因素.SiO2或TiO2无机缓冲层的加入降低了ITO薄膜抗内弯折临界半径;TiO2缓冲层能够明显增加ITO薄膜的耐弯折次数.     

篷盖类柔性复合材料应力松弛性能的模拟及探讨

对篷盖类经编双轴向及机织柔性复合材料应力松弛性能的研究表明；可以采用标准线性三元件和并联一个非线性弹簧的三元件力学模型以及欧林模型对织物的应力松弛性能进行模拟。欧林模型可以更好地描述柔性复合材料的应力松弛性能。     

部分预应力砼连续梁的弯矩－曲率分析法

推导普遍适用的部分预应力砼梁截面的弯矩－轴力－曲率的关系．基于砼、预应力筋的和非预应力筋的应力－应变关系的非线性和超静定结构的次弯矩，计算不同配筋的边跨梁和中跨梁．计算结果表明，配筋指标在０．１～０．２５范围内，梁具有良好的延性和承载能力；提高有效预应力和相应减小预应力筋面积，能提高梁的延性．     

柔性巨型摩天轮结构的非线性分析

柔性巨型摩天轮结构体型庞大,结构形式特殊,刚性轮缘与柔性拉索相结合,边界条件复杂,存在着温度、缺陷和冗余度等敏感性因素影响。本文结合某摩天轮工程实例,分析柔性巨型摩天轮结构轮缘和拉索的受力性态,合理选择初始态预应力度,优化结构性能。考虑初始缺陷分别对轮盘以及摩天轮整体结构进行稳定分析,研究其非线性屈曲特征。同时考虑几何非线性和材料非线性进行弹塑性极限分析,全面揭示其结构特性。分析和研究结果表明：预应力拉索的引入使得柔性巨型摩天轮结构具有明显的非线性特征,初始态预应力决定了结构受力性态,由辐射状拉索和立体桁架组成的轮盘结构提供了强大的抗侧和抗扭刚度,柔性巨型摩天轮结构稳定性能良好,塑性发展机制理想,最终破坏表现为强度破坏,弹塑性极限承载能力比较大,能满足摩天轮正常运行和暴风状态的要求。     

磁流变阻尼器滞回模型参数的敏感性分析及其简化模型

为解决Bouc-Wen模型参数多、数学表达式复杂、参数识别困难的问题,根据Bouc-Wen模型中参数的物理意义及其对结果输出贡献的大小进行了参数敏感性分析,滤除敏感性差的参数,令敏感性强的参数参与拟合滞回曲线,从而获得了简化的Bouc-Wen模型.在参数敏感性分析中,提出并采用了修正的one-at-a-time(OAAT)法.修正OAAT法是在OAAT法的基础上,令待测参数之外的其他参数自由变化,充分考虑了参数之间的耦合关系,具有全局敏感性分析的意义,可使结果更为准确和全面.为了验证Bouc-Wen简化模型的有效性,采用遗传算法对Bouc-Wen模型和Bouc-Wen简化模型的参数进行了识别,并对磁流变阻尼器力学特性试验数据进行了数值模拟,结果表明:Bouc-Wen简化模型能够更精确、更高效地模拟滞回曲线,拟合精度平均提高了4％,计算效率平均提高了47％.     

预应力砼梁截面的预应力度与弯曲延性分析

提出预应力砼截面弯矩－轴力－曲率关系的计算方法，并计算了不同预应力度下截面的弯矩－曲率关系，指出预应力度对弯曲延性的影响，同时提出增加弯曲延性的方法。