扭矩与外压联合作用下海底管道的屈曲研究

针对海底管道在铺设和服役期间受到扭矩与外压联合作用发生屈曲的问题,进行缩比尺管道实验和有限元建模分析,对管道的变形和压溃规律进行研究．以缩尺比管道实验为基础,利用ABAQUS有限元软件,对实验管件在扭矩与外压联合作用下的压溃破坏进行模拟,并与实验结果进行对比,验证模型的可靠性．基于有限元分析,研究了扭矩和外压联合作用下管道的截面变形和承载极限．研究结果表明,管道受扭矩作用时,管道截面椭圆度与扭矩是近似指数相关,扭矩较小时,截面无明显变形;当扭矩接近扭矩承载极限时,椭圆度剧增.管道受扭矩和外压联合作用时外压对管道变形影响更大,管道的破坏以压溃屈曲为主,截面为“哑铃状”．管道椭圆度缺陷越大,外压承载极限越小;管道承受的扭矩载荷越大外压承载极限越小;得到了扭矩与外压承载极限的无量纲关系曲线,此关系不受椭圆度影响,扭矩越大外压承载极限的下降速率越大;建议海底管道设计扭矩不超过扭矩承载极限值的70%,以提升管道在扭矩与外压联合作用下的安全性．P-T路径比T-P路径更危险,载荷路径引起的管道承载极限差异在10%以内,椭圆度会降低载荷路径的影响差异．     

复杂载荷条件下有缺陷海底管道非线性屈曲分析

针对有初始缺陷海底管道在弯曲、轴力和外部静水压力联合作用下的复杂载荷屈曲压溃问题,建立管道的屈曲压溃理论模型,研究中考虑管道变形的几何非线性和材料非线性,运用结构弹塑性本构关系,基于虚功原理建立管道屈曲压溃方程;运用MATLAB编程进行数值计算,分别研究分析弯曲、轴力和外部静水压力单独作用,以及3种载荷联合作用的管道压溃压力。研究结果表明:复杂载荷条件下的有缺陷管道,尤其是当轴力和曲率比较大时,各因素对管道屈曲压溃压力影响的非线性特征逐渐明显;多种载荷的联合作用与单一载荷对屈曲压溃压力的影响是不一致的。研究结果可为实际工程中海底管道临界屈曲载荷的确定、危险位置的辨识、设计中的结构参数优化以及施工中的屈曲控制提供理论依据,从而保障海洋油气输送安全。     

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．     

外压与弯矩组合载荷作用下筛管压溃载荷计算

筛管在服役过程中受出砂、地层运动等导致的外压和弯曲等复杂载荷影响,易发生压溃失效问题.利用ABAQUS软件建立考虑初始椭圆度的平行布孔筛管的有限元模型,研究外压和弯矩组合载荷作用下筛管的压溃行为.基于不同径厚比、布孔参数、弯矩载荷下筛管压溃载荷计算数值模拟结果,建立弯曲和外压组合载荷下筛管压溃载荷简化公式.结果表明:在...     

海底椭圆管道在扭矩和水压作用下的屈曲压溃研究

在实际工程中海底管道往往具有一定的椭圆度,椭圆管道受到扭矩作用会影响其极限承载力.对于服役前受到扭矩作用的等壁厚椭圆管道,通过理论推导得到了其在弹性阶段的位移方程,并建立数值模型对理论方法进行了验证.利用有限元中的弧长法对椭圆管道在服役中的塑性屈曲压溃进行了数值模拟,研究了壁厚、一致椭圆度、外径等敏感性因素对其压溃压力的影响.同时分析了椭圆管道在服役过程中受到扭矩作用后的屈曲压溃特性.结果表明,尺寸参数及扭矩加载路径会对管道极限承载力产生明显影响,分析结果可为实际工程应用提供参考.     

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。     

锅炉管道在内压及温度作用下的应力分析

利用有限元方法和经验公式求出了整体锅炉管道在内压和温度作用下的变形及各截面上的弯矩,重点分析了椭圆形截面管上各点的环向应力。结果表明:在内压作用下,沿椭圆形截面环向应力的最大值发生在椭圆长轴顶端的内侧,是破坏的裂源点;椭圆度的大小是影响弯管破坏的最主要因素;内压是造成椭圆形截面管破坏的主要外界因素。     

无粘结预应力砼连续梁受力分析计算机模拟方法中的若干问题

针对无粘结预应力砼连续梁的受力特点，对其正截面分析的计算机模拟方法进行探讨．提出应考虑截面受压区砼分层剥落破坏过程来建立相应的弯矩曲率关系，并介绍相应破坏准则及判别依据．对非线性分析过程中的弯矩－曲率－轴力关系曲面的加载路径以及截面负增量刚度问题进行了研究     

钢筋混凝土核心筒的非线性分析

应用有限条法对钢筋混凝土核心筒在单调荷载作用下正截面弯矩-曲率(M-ω)、荷载-顶点位移(P-△)关系曲线进行计算,提出一个钢筋混凝土核心筒从加载到破坏的非线性分析模式,把非线性问题化为短区间的线性问题,推导计算公式,建立计算模型.     

椭圆形截面管受内压作用的环向应力分析

本文以通常的结构静力分析方法推导了椭圆形截面管受内压作用时沿环向各截面的附加矩公式，并用数值积分求出了管中各截面上的应力，与有限元方法得到的结果比较，两者非常接近。文中绘制了危险点应力随椭圆度a，长轴半径a和管壁厚t而变化的关系曲线。计算结果表明，随椭圆度的增加，管内危险点的应力迅速增加，是造成管道破坏的主要因素。     

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.     

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。     

均匀内压作用下曲边柱壳的非线性动态响应

为了研究曲边柱壳受动态内压载荷作用下的变形规律,建立了精确考虑壳体几何构型的非线性动态控制方程,提出了一种基于静力变形模式的动态响应计算方法,然后通过能量方程建立了均匀内压作用下曲边柱壳动态解的增量求解算法,求解结果与有限元方法LS-DYNA计算结果十分一致.分析了加载速率和载荷形式对曲边柱壳动态响应的影响,发现加载速率和载荷形式可以较大程度地改变曲边柱壳的动力学行为,因此可以通过改变动态加载速率和载荷形式来控制曲边柱壳不同的动态特性.     

铝合金型材的冲击压溃载荷特性研究

为了确定Riera公式中的压溃载荷,基于材料实验机和霍普金森压杆实验系统,对铝合金型材在轴向准静态和不同速度冲击加载作用下的静、动态压溃行为进行了研究,得到了多种尺寸和形状规格型材在静、动态压溃过程的载荷时间曲线,以及峰值压溃载荷和平均压溃载荷随冲击速度的变化规律.分析结果表明,Riera公式中的压溃载荷采用平均压溃力是较好的选择,铝合金型的动、静态压溃力的差异来自结构的横向惯性效应.通过量纲分析,在进一步整理实验数据的基础上得到了适用于准静态和冲击加载作用的铝合金型材统一的平均压溃力经验公式.     

复杂载荷下含体积性缺陷弯管的塑性极限载荷

通过非线性有限元分析给出了含体积性缺陷弯管在内压、面内弯矩、面外弯矩和扭矩作用下的塑性极限载荷。对与体积型缺陷（长轴、短轴和深度)和管线（外径、壁厚和弯曲半径）有关的几何变量进行了系统的分析,并考虑了内压和面内弯矩、面外弯矩和扭矩的组合。结果表明壁厚、缺陷深度和缺陷方向对极限载荷影响较大。     

薄壁弯头塑性破坏的极限弯矩问题

引言 薄壁弯头承受平面弯曲时,在弹性范围内变形与载荷成一定比例增加。当最大应力点的强度折算应力达到屈服应力后,弯头的局部区域进入塑性范围,变形不再与外载成比例,单位外载增量所引起的变形增量越来越大。当弯头某个截面快要全部进入塑性范围时,微小的外载增量就会引起甚大的弯曲变形。而后,当该截面弯矩达到一定数值时,变形猛烈增加而不休止,弯头遭到塑性破坏。这一弯矩称为弯头的塑性破坏极限弯矩,以后简称为极限弯矩。极限弯矩值的大小对管道设计具有一定的参考价值。     

端部撞击下内充压力介质悬臂管道瞬态动力响应研究

针对管道甩动问题,考虑介质和内充压力的影响,基于变形后的线元模型,推导了管道动力响应的大变形控制方程。考虑到悬臂结构的响应特点,本构方程解耦弯矩和轴力,并采用实验测量的弯矩-曲率关系描述管道弯曲行为。数值研究表明,此模型可以准确模拟管道响应过程中的初始弹性、中期塑性强化、后期软化力学过程。强动载荷作用下,悬臂空管道会因某些截面的局部失效而在整体管段上形成"结节",表现出实腹式截面未曾出现的"软化"行为。内充介质和压力的存在可以有效抵抗管道截面的局部扁平化趋势,提高管道截面的临界曲率,从而改变其塑性动力响应行为。     

钢筋混凝土压弯构件全过程分析的能量法

本文讨论了钢筋混凝土矩形截面弯矩—曲率—轴力关系.利用能量原理提出了钢筋混凝土压弯构件从加载到破坏的非线性全过程简化分析法.该方法的程序简单,可以用手算.与湖南大学37根构件试验结果的比较表明,按本文公式分析的结果是满意的.利用本文公式可以计算钢筋混凝土压弯构件的曲率延性和位移延性比,表明本文方法对抗震设计是有效的.     

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.     

超高压管道的疲劳损伤研究

通过将超高压管道在疲劳载荷作用下的损伤归结为无初始应力集中的大范围疲劳损伤问题,根据应变疲劳的破坏机制,以应变幅为损伤变量,建立了损伤演化方程,利用虚功原理得到了超高压管道疲劳裂纹萌生寿命计算模型,探讨了交变内压作用下模型参数的计算问题.模型不仅考虑了材料的疲劳特性,同时考虑了管道结构和载荷作用情况,当退化为简单试件的疲劳寿命计算式时,能很好地拟合3种常用超高压容器用钢30CrN iMo8、ANSI4340H和G4335V的疲劳试验数据.