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.     

防摩擦层对非粘结柔性立管截面力学性能影响

以一类八层非粘结柔性立管为研究对象,对防摩擦层分别采用计入实际几何形状的螺旋带模型和简化的圆柱壳模型,采用理论和数值方法计算立管在不同边界下的轴向及扭转刚度.计算结果表明:数值解与理论值符合较好;在轴向拉力、逆时针扭矩、顺时针扭矩(限制立管轴向位移)下,使用两种防摩擦层模型对立管刚度影响可以忽略;在轴向压力、顺时针扭矩(自由边界)下,采用圆柱壳模拟防摩擦层会大幅增大立管刚度.     

轴向承载力作用下非粘结柔性立管的侧向失效分析

利用非线性有限元方法研究柔性立管在轴向承载力作用下的失效特性,采用实体单元模拟柔性立管抗拉铠装层、强结构带层和外部聚合物层,并考虑材料非线性、几何大变形、接触和摩擦等非线性效应的影响,通过数值模拟分析了柔性立管抗拉铠装层的螺旋钢带数、摩擦系数和外部聚合物层厚度等因素对非粘结柔性立管的失效模式和轴向承载能力的影响.结果表明:与采用部分螺旋钢带的简化模型相比,在抗拉铠装层采用全螺旋钢带数目的模型的失效过程更为复杂,其轴向承载力出现了多个峰值;摩擦系数对立管失效模式的影响很大,摩擦系数较小时立管为侧向失效,摩擦系数较大时立管为径向失效;外部聚合物层厚度对立管侧向失效时的最大轴向承载力影响有限.     

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.     

基于能量法的非黏合柔性立管轴对称响应分析

给出一种在轴对称载荷作用下非黏合柔性立管响应的理论分析模型.首先基于能量法推导出柔性立管各层的平衡方程并写成矩阵形式,得到其刚度矩阵;然后将各层刚度矩阵进行组装并考虑边界条件得到总刚度矩阵,进而通过迭代求解出所有变量.该方法可自行判断柔性立管各层之间可能发生的分离并相应调整层间的接触压力,因而可以考虑轴向刚度和扭转刚度之间的耦合以及载荷施加的方向.将理论分析结果与实验测试进行了对比,二者符合良好.讨论了二者之间存在偏差的原因,结果显示柔性立管各层之间的初始间隙对此影响较大.     

非粘结柔性立管轴对称载荷作用下的理论模型分析

非粘结柔性立管结构复杂,建立一个高效的力学模型非常关键。本文基于最小势能原理,建立了柔性立管在轴对称荷载作用下的刚度矩阵,通过罚函数方法得到表示层间法向接触关系的附加矩阵,将2个矩阵相加即得到柔性立管的整体刚度矩阵。利用此模型讨论了罚参数的取值,分析了柔性立管在拉伸和扭转荷载作用下的力学响应,并与数值模拟和实验结果进行了对比。研究表明:罚参数的取值越大,计算精度越高,但是取值过大会引起方程病态,结果不准确。该理论模型能够正确反映非粘结柔性立管在轴向拉力和扭矩作用下的力学特性,为工程设计的初始阶段提供了一定的参考依据。     

阶梯状来流中立管的涡激振动响应预报

将变参数受拉柔性梁的有限元模态分析与涡激振动预报结合在一起,建立了变参数柔性立管的横向涡激振动预报模型,考虑到海洋立管的模态信息与涡激振动响应高度耦合,为合理计算附加质量对模态信息的影响,模态分析与涡激振动响应预报迭代进行.其中,使用有限元方法对立管进行模态分析,考虑了质量、拉力、抗弯刚度沿立管轴向的变化;在此基础上,涡激振动响应计算在各个模态上分别进行.在出现多模态参与的情况时,比较各模态的振幅,对模态受力进行折减.与近期阶梯状来流作用下立管涡激振动实验结果的比较显示,本文模型是有效的.     

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.     

复合材料立管涡激振动数值计算

基于尺度自适应模拟(SAS)和计算结构力学(CSD),对复合材料海洋热塑性增强立管(Reinforced Thermoplastic Pipe,RTP)涡激振动响应进行数值计算.数值计算了聚氯乙烯(PVC)立管涡激振动响应和复合材料层合板模态,并与实验数据对比,验证了文中双向流固耦合方法和复合材料建模的准确性.并且,分别计算了不同条件下的RTP立管和相同尺寸的钢制立管的涡激振动响应.计算结果表明:来流速度为0.1m/s时,RTP立管都发生了频率锁定现象;RTP立管的来流向振动响应和横向振动响应同样重要,不可忽略;来流向振动响应及流场三维效应导致立管中部区域振动响应的轨迹比较杂乱;来流速度为0.2m/s时,相同尺寸的钢制立管的来流向和横向振幅比RTP立管的小,且钢制立管主要是低阶模态振动;铰-铰约束情况下的RTP立管的振幅相比固定-固定约束情况下的整体上稍大,且主要是2、3阶振型运动.     

计及平台垂荡的立管涡激振动模拟与试验验证

针对顶端平台垂荡运动与涡激振动联合作用下顶张式立管动力响应预报问题,提出了一套可供选择的时域数值模拟方法.涡激振动模拟基于流体力分解模型,流体力系数库来源于受迫振荡试验数据.采用时变轴向张力等效立管顶端平台垂荡运动对结构动力响应的影响效应,在每一分析步内根据实时轴向张力更新结构刚度矩阵.最新公布的某2.552 m立管模型试验结果用于验证推荐数值方法在顶张力恒定及时变条件下的有效性,预报结果与试验观测吻合度较高.针对数值模拟与模型试验对比研究中发现的亚谐振响应、非对称振型及Mathieu型共振等现象,进行了深入研究并给出相应解释.     

材料强度对UPC梁性能影响分析

给出了不同材料强度的无粘结预应力混凝土(UPC)梁抗弯强度和结构性能的分析研究结果。建立了基于有限元方法并结合一种弧长算法的适用于UPC梁非线性全过程分析的数值模型。提出的算法能较好地处理梁加载过程的响应变化,可穿越梁破坏前可能出现的极值点问题。利用该数值模型分析评估了混凝土轴心抗压强度和非预应力筋屈服强度对UPC梁性能以及无粘结预应力筋极限应力的影响。所得结果可为UPC梁的优化设计提供参考。     

钢筋混凝土构件非线性有限元分析

本文对原有的通用结构分析程序NONSAP进行了修改扩充,形成了单增荷载下钢筋混凝土构件的非线性有限元分析法.本方法对混凝土采用非线性正交平面等参单元,在材料模型中计入了拉裂、受拉强化、裂缝面上的剪力传递和压应变屈服等混凝土特性;对钢筋采用弹塑性三向连杆单元;引入三向非线性联结单元以模拟钢筋和混凝土之间的相互作用.数值计算采用初始刚度和切线刚度的合混型增量迭代法;在材料破坏时计入了不平衡力的重分配.本方法的计算结果和试验结果符合良好,表明了该程序的可用性.     

复合材料蜂窝夹芯板挖补修理后的侧压性能

 对3种方法修理后复合材料蜂窝夹芯板的侧压性能进行:实验研究.实验结果表明,不同修理方法均可有效地恢复试件的侧压强度,所有试件的侧压强度恢复率均在完好板强度的79%以上.其中,初始损伤最小的蜂窝夹芯板有最高的强度恢复率,此外非对称的修理设计会导致附加弯矩,从而对结构承载能力造成不利的影响.在实验基础上建立三维有限元模型对修理后蜂窝夹芯板的侧压性能进行研究,数值模型得到的结构刚度、极限载荷与破坏模式均与实验结果吻合良好,为复合材料蜂窝夹芯板的修理设计提供了可靠的数值方法.     

软母线刚度对特高压电气设备地震响应影响分析

为研究软母线刚度对特高压电气设备地震响应的影响,建立考虑刚度的软母线位形函数、最大弧垂及软母线最大应力的计算公式。通过软母线连接的特高压设备振动台模型试验与有限元计算的对比分析,验证了笔者给出的考虑刚度的软母线位形函数、最大弧垂计算公式的正确性。有限元分析结果表明:当软母线的刚度增大时,软母线的垂跨比减少,软母线与特高压设备之间的地震耦合作用增强,增强了软母线对设备的拉伸作用,从而使设备的地震反应随着导线刚度的增加而增加。软母线刚度对频率较高的设备其地震反应的影响要大于对设备频率较低设备地震反应的影响。     

蒙皮刚度对复合材料T型接头拉脱失效行为的影响

通过试验和数值分析的方法,研究了4组不同蒙皮凸缘厚度比的碳纤维复合材料T型接头拉脱失效行为。评估了蒙皮刚度对接头承载能力、损伤起始位置、失效模式的影响。结果表明:接头承载能力随着蒙皮刚度增加而提高,但两者并不线性相关。随着蒙皮刚度的增加,损伤起始位置逐渐由凸缘前端移至填充区;起始失效模式由凸缘前端与蒙皮的剥离转变为填充区的局部开裂,腹板两子层脱粘,以及填充区与腹板及蒙皮间的剥离等。     

CFRP加固高温后圆钢管混凝土结构轴压力学性能分析

在恒定高温作用后,对12个圆钢管混凝土短柱试件进行CFRP加固后的轴压力学性能分析.通过轴压承载力试验,研究了不同恒温及不同约束效应系数时CFRP-圆钢管-混凝土结构的轴压力学性能和变化规律.试验数据对比分析表明,高温作用后的圆钢管混凝土承载力和弹性模量随温度升高而降低,采用CFRP加固的高温受损构件力学性能明显得到改善.在综合分析基础上,利用简化公式计算的结果与试验分析结果吻合较好.     

剪力墙结构中钢筋混凝土楼板膜效应试验研究

以剪力墙结构中的连续楼板为研究对象,设计了12个剪力墙约束钢筋混凝土单向板试件,试验研究了侧向约束条件下楼板的承载力.试验结果表明,受压力膜效应影响,当侧向约束刚度与试件自身刚度之比为0.022∶1时,试件的极限承载力较上限方法计算的结果平均提高了38.3%.在试验结果的基础上,对比研究了支座与中间板带的刚度比、支座轴压力、跨高比、配筋率以及侧向约束力等参数对试件受力性能的影响,得到了压力膜效应和拉力膜效应临界点与跨中挠度的对应关系.     

钨合金变形微观力学行为的计算机数值模拟

提出了钨合金的组织结构模型，在此基础上通过有限元法对钨合金闰伸变形时组织结构中的应力分布及其变化规律进行了计算机数值模拟研究，结果表明：钨合金拉伸变形时拉伸方向最大正应力和最大Ｍｉｓｅｓ应力区域在钨颗粒相中，同时钨颗业还将受到垂直于拉伸方向的压应力；最大剪切应力分布在粘结相中，随拉伸变形增加，粘结相最先进人塑性状态，由于粘结相的塑性变形、钨合金中应力不断重组，应力逐渐在钨颗粒中集中。     

泥石流冲击作用下CFRP加强型柔性索网体系动力响应分析

为了使泥石流柔性防护索网体系具有更好的耐久性和抗冲击性,将轻质高强、耐腐蚀性较好的碳纤维复合材料(CFRP)与索网结合,提出一种加强型柔性索网体系.通过九组静力拉伸试验、并运用有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟,研究CFRP材料对筋材静力性能的影响,研究冲击荷载作用下单索、组合索以及索网在粘贴碳纤维布后的动力响应,探讨碳纤维布对柔性索网抗冲击性能的影响,并与无碳纤维布的情况进行对比分析.结果表明:在拉伸试验中,碳纤维布对于筋材的屈服强度有明显的提升作用,但对拉伸强度的提升不明显;在模拟的冲击过程中,粘贴碳纤维布的钢索整体刚度有一定的提升,同时在各级冲击荷载作用下的位移有所减小;碳纤维布在不发生失效的情况下能分担一部分钢索应力;冲击点附近以及钢索固定端处的碳纤维布容易发生失效破坏,致使钢索应力产生“突变”现象.