基于ABAQUS的拖锚载荷对海底管线的影响研究

锚击是造成海底管线第三方损伤的重要因素.本文将拖锚对海底管线的损伤分为撞击、拖曳两个方面,并利用ABAQUS软件对上述两种作用方式进行数值模拟.撞击分析中,利用数值模型分析了管壁厚度、管线长度对最终凹痕深度的影响,并与其他撞击形式、规范计算值进行了对比.拖曳分析中,重点探讨了海床土壤性质的影响.结果表明,拖锚对海底管线的撞击作用影响相对较小,平铺于砂质海床上的管线最大拖曳力计算值更大.应用ABAQUS的有限元模型研究海底管线的抗锚害问题切实可行,对于管线设计、提高管线安全性有一定指导意义.     

坠物撞击海底管道损伤的BP神经网络预测模型

为预测坠物撞击饱和黏土海床上海底管道的损伤，建立了坠物撞击下饱和黏土海床与海底管道相互作用的动力有限元模型，结合海底管道实际工作条件的变化范围，分析坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压、海床土不排水抗剪强度6个参数对海底管道损伤的影响规律，将6个参数作为输入层参数，以管道损伤作为输出参数，将数值模拟结果作为训练样本，通过学习和训练构建形成了海底管道损伤预测的BP神经网络模型。研究结果表明：坠物撞击能量越大，管道损伤越大，管道损伤增长速率随坠物撞击能量的增大而趋缓；管道直径、壁厚、内压、管道屈服强度增加，管道损伤减小；饱和黏土海床不排水抗剪强度越大，管道损伤越大。建立的海底管道损伤BP神经网络预测模型，仅需要坠物撞击能量、管道直径、壁厚、钢材等级、内压和海床土不排水抗剪强度6个参数，模型简单、便捷，能够较好地预测饱和黏土海床海底管道受坠物撞击的损伤，数值算例涵盖了常见饱和黏土海床海底管道的工作条件，具有很好的适用性，为海底管道损伤预测提供了新思路。     

碎石保护结构防拖锚效果的DEM分析

在近海港口停泊地区,海底管线通常埋置在碎石保护结构中,以免遭受来自拖锚或抛锚的撞击而损伤.为评价走锚时碎石保护结构对海底管线的防护效果,基于碎石结构的离散特点,采用离散单元法(DEM)模拟了拖锚从细砂到碎石保护结构的运动过程,并与室内模型试验结果对比,验证了该方法的可行性.在此基础上,利用离散单元法研究了碎石保护结构的抗锚害机理,分析了不同碎石粒径、不同拖锚速度及不同初始拖锚位置时锚拖曳力、锚爪转角及锚爪爪尖轨迹等的变化规律.分析结果表明,碎石粒径和拖锚速度越大,锚爪爪尖在碎石层中抬升的高度越高,越有利于保护海底管线;从不同初始位置开始的拖锚运动,达到稳定运动状态时的拖曳力、锚爪爪尖轨迹及锚爪转角基本相同.该结果可以为海底管线碎石保护结构的设计提供依据.     

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.     

海底管道屈曲传播中管壁与扣入式止屈器非线性接触问题研究

运用二维环模型模拟管道,采用非线性离散弹簧模型模拟了管道外壁与扣入式止屈器内壁之间的接触.建立了其结构的弹塑性本构关系,构建了海底管道二维屈曲接触力学模型,研究分析了海底管道在屈曲和管壁接触过程中的承载力、结构变形以及截面应力分布等的变化规律.为了验证该理论分析方法的准确性,将理论分析结果与ABAQUS软件的模拟结果进行了对比,结果吻合良好;最后,将理论计算得到的屈曲压溃压力和屈曲传播压力分别与ABAQUS软件模拟结果及全比例管道屈曲试验进行了对比,证明了该理论方法的可靠性.该理论研究为进一步研究管道的屈曲传播力学机制和止屈技术奠定了基础.     

深海管道在冲击载荷作用下的局部屈曲特性研究

水下落物撞击是海底管道的主要事故形式之一,而深水环境下的落物撞击是高静水压联合落物冲击载荷作用下的结构响应过程.采用LS-DYNA有限元软件建立了管道、海床数值模型,模拟外界水压和冲击载荷联合作用下结构动态响应过程,并通过全尺寸落物撞击实验结果验证了模型方法的可靠性.利用验证的模型方法,研究了外界水压对管道碰撞损伤及屈曲失稳的影响.研究表明:落物撞击主要对管道结构的初始稳定性造成影响,静水压力的附加做功加剧了管道的局部塑性变形.同时,随着外界水压增大,碰撞初始阶段的塑性变形越大,甚至在高静水压作用下发生即刻的屈曲失稳破坏.研究结果对复杂动力载荷作用下深海管道结构安全评估具有一定的参考价值.     

海底管道关于锚泊作业的定量风险评估

各种工况下的锚泊作业,由于操作失误而脱锚,海底管道有被锚或锚链撞击而破损的危险,本文根据锚泊作业的不同情况,提出了锚与锚链撞击管道的概率及撞击能量的计算公式,结合后果分析可得到故障概率,为海底管道在偶然荷载下的定量风险评估打下了基础.     

孤立波作用下埋管斜坡海床及海底管道的响应分析

通过建立孤立波-斜坡海床-海底管道耦合模型,研究在孤立波作用下近岸浅水区域埋管周围斜坡海床土体的孔隙水压力响应和海底管道的受力及位移.采用考虑k-ε湍流的Navier-Stokes方程模拟孤立波在海底斜坡上的破碎、爬升及回落过程,并且通过计算获得斜坡表面波压力;基于Biot固结方程,建立波压力作用下的斜坡模型;基于线弹性理论,利用偏微分方程建立海底管道模型;计算分析埋管海床土体的孔压响应特征及管道的受力与变形;通过与文献试验数据和解析解的对比,验证了该分析方法与模型的准确性;利用验证后的数值模型,计算在孤立波作用下斜坡海床埋置管道周围土体的孔隙水压力响应、纵向有效应力响应、管道的纵向受力及位移.数值模拟结果表明:在孤立波回落阶段,埋置于斜坡海岸线附近的管道周围土体孔压下降明显,管道出现较大上浮,相较于水平海床和斜坡坡脚,此处管道的受力和位移情况最为不利.另外,管道埋深、土体参数,以及波浪的破碎、爬升及回落过程都对计算结果有着重要的影响.     

海底管道抗震分析软件的开发与应用

海底管道的建设往往需要考虑地震和断层的影响,但是目前主要还是参考陆地管道抗震规范,其计算结果与海底管道工程实际存在较大的差距。为提高海底管道应力(应变)分析精度,基于管道-土体之间的相互作用建立了海底管道抗震分析方法,采用C语言和MATLAB平台开发了海底管道抗震分析软件,既可以进行海底管道的地震反应分析、穿越断层分析和弹性时程分析,又可以绘制海底管道的应力-应变曲线、地震波时程曲线和管道时程分析曲线,具有通用性强、交互方便、快速易用等特点,为海底管道的设计、施工提供了技术支持。     

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.     

三峡库区弯曲河段大偏角船桥碰撞力分析

为研究船舶在大角度和高流速下与大跨度斜拉桥发生的碰撞响应,结合国内外相关规范对船桥碰撞中最大撞击力计算方法和撞击方式,对内河航运过程中可能发生的碰撞角度和方式进行分析,并以重庆外环江津长江大桥作为依托工程,采用附加质量法建立了7 000 t级散货船和等比例斜拉桥模型,计算了船舶在四种通航水位下的正撞、侧撞和漂撞的最大撞击力,比较各规范的计算值与数值模拟结果,对不同情况下的计算结果进行对比研究。结果表明,国内外各规范更适用于船舶撞击桥塔,撞击点位于桥梁承台时最大撞击力将远高于规范计算值;在船舶与桥梁正面碰撞中,《美国公路桥梁设计规范》(American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO)计算值与模拟值吻合程度高;在侧撞中,尤其在撞击角度为10°～25°时,建议采用《公路桥梁抗撞设计规范》;船舶漂撞桥塔产生的撞击力大约为正向撞击的1/4,该情况可采用《铁路桥涵设计规范》进行计算。多角度船桥碰撞研究结果可为三峡库区高变幅水位下船桥碰撞安全风险评估和桥梁抗撞设计提供参考。     

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．     

埋地天然气管道应力变形分析

利用有限元法对埋地天然气管道的应力和变形进行了分析,考虑到实际施工过程,提出利用单元生死技术实现回填土分层加载,模拟管沟的回填过程.分析得出管壁内侧管顶处和管壁外侧管侧处受到最大拉应力作用,是管道的2个危险点;与公式法相比,利用有限元法计算管道的变形更接近实际情况.     

地下爆炸对埋地输气管道冲击响应的数值分析

通过适当选取材料本构关系,运用非线性动力学基本理论和ALE算法,利用LSDYNA3D有限元程序,对爆炸地冲击作用下引起埋地输气管道的动力响应问题进行了数值模拟分析。通过埋地管道在2组共10个工况下的数值计算分析,拟合了埋地管道响应(包括速度和动应力)最大值和装药量、爆心与管道中心距离之间的关系。模拟计算结果与经验公式规律十分吻合,表明采用数值模拟方法研究爆炸地冲击对埋地管道的作用是可行的。计算方法为埋地管道在第三方破坏荷载作用下的风险评估提供了一个计算平台,计算结果对埋地输气管道的风险评估和防灾减灾具有重要的参考价值。     

复杂地质条件下船舶落锚贯入深度影响分析

船舶落锚损伤是造成海底管道第三方破坏的主要因素,因此确定落锚贯入深度对海底管道安全运行意义重大。为此以霍尔锚为例,基于渤海海域环境条件,分别研究了不同地质特征参数对落锚贯入深度的影响,对比分析了Young公式和能量法公式计算结果的差异,并对DNV-RP-F107和DNV-RP-F114两规范中公式进行比较。结果表明:使用Young公式得到的数值较小,且不能反映落锚深度与土质特征参数的关系;能量法公式可以定性分析砂土和黏土特征参数对落锚深度的影响,且砂土的贯入深度明显小于黏土,砂土的内摩擦角越大,贯入深度越小,黏土的粘聚力越大,贯入深度越小,且使用DNV-RP-F114规范公式的计算结果较DNV-RP-F107大。     

基于Fluent的海底输油管道停输温降数值模拟

随着海上油田的大量开发,对海底输油管道停输过程传热问题的研究迫在眉睫。加热输送的原油管道在运行过程中,不可避免地会遭遇油田停电和管线维修等意外,造成停输。这时油管内原油的黏度随油温下降而升高。当油温降到一定值后,会给管道的再启动带来极大的困难,甚至造成凝管事故。为避免凝管事故发生,需要准确预测海底管道管内原油的温降情况及安全停输时间,分析影响停输时间的因素。利用Fluent软件对海底输油管道停输温降进行数值模拟。计算结果表明,保温层厚度和海水温度对停输时间影响非常明显。模拟结果可指导生产实践。     

基于纵向超声导波的管道焊缝缺陷识别研究

为了更有效地识别管道焊缝缺陷,提高焊接管道在使用过程中的安全性,采用数值计算和数值模拟相结合的方式,提出了一种基于纵向超声导波检测管道焊缝缺陷的检测方法,该方法通过观察导波在焊缝缺陷前后的传播特征,以入射波与透射波峰值点之比作为损伤指标,得到损伤指标的变化情况,同时识别出了焊缝缺陷的位置与大小。为了验证文中方法的有效性,利用ANSYS软件建立了含有不同缺陷的焊接管道模型,并模拟了超声导波透过焊缝区域时的传播过程,分析了其传播特性,得到不同损伤参数(厚度和角度)对损伤指标的影响规律。数值算例表明,该方法可以有效地识别出焊缝缺陷的位置并对其进行大小评估,所提出的损伤指标与损伤参数之间具有较好的线性关系。     

钢纤维混凝土抗冲击性能的数值模拟研究

为研究不同钢纤维体积分数与不同钢纤维长径比对混凝土基体抗冲击性能增强作用的影响,利用ANSYS/LSDYNA3D有限元计算软件,采用损伤材料模型,数值模拟了钢纤维混凝土圆柱体撞击素混凝土靶板的过程.分析了不同初速条件下靶板破坏体积与冲击动能的关系,并将数值模拟结果与试验结果比较.结果表明:钢纤维体积分数越大,钢纤维长径比越大,钢纤维混凝土基体的抗冲击性能越好;同时也说明,损伤材料模型能够很好地模拟混凝土类材料在冲击作用下的破坏情况.     

典型大型商用飞机撞击问题数值建模及计算

基于对空客A320的结构分析,开展了大型商用飞机结构简化和建模方法研究,建立了结构较为详细的飞机有限元计算模型,确定了适当的网格尺寸;通过将飞机撞击刚性靶体的数值模拟结果与Riera理论计算结果进行对比,验证了所建立的大型商用飞机有限元计算模型的合理性以及数值计算方法的可靠性.该大型商用飞机有限元计算模型可用于飞机冲击载荷特性的进一步分析,也可直接用于飞机撞击作用下结构响应安全性评价的数值模拟.     

不同湍流模型比较模拟撞击流

构造了计算撞击流流场分布的数值简化模型,并用有限容积法对间距为H的两个对置平板喷嘴间的湍流作用区域进行数值模拟研究．数值模拟采用了三种湍流模型：标准的k-ε模型、RNG k-ε模型（renormalization group k-ε model）以及雷诺应力模型．数值模拟数据的有效性通过将模拟结果与由对环境温度下两对置喷嘴之间的撞击流试验的结果比较得到证实．通过与实验数据的比较发现,由于考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况,RNG k-ε模型在撞击流区域获得的结果要好于用标准k-ε模型和雷诺应力模型获得的结果．