复合材料定向管动力响应及优化分析

为掌握复合材料定向管的动态力学性能,了解复合材料定向管动力响应的应力、应变和变形位移情况,建立了复合材料定向管受载的力学模型,利用动力有限元法仿真计算了火箭弹的发射过程,然后对定向管壁厚值进行了对比优化分析.结果表明:动力有限元法是有效的仿真计算方法,复合材料定向管在发射开始阶段产生的响应应力和应变较大,后端产生的响应应力和变形位移比前端大,确定的合理壁厚值范围为3.6～4.1mm.该研究为某火箭炮复合材料定向管的研制提供了参考.     

输油管管壁轴向缺陷应力分析

长输油气管线由于腐蚀所引起的管壁缺陷,是油气管线正常运行的一大隐患。针对管壁上的轴向缺陷,用有限元法对其进行分析计算,给出了管壁轴向缺陷处的应力分布规律,并研究了缺陷长度、宽度和剩余壁厚对应力的影响。同时拟合了缺陷处应力的计算公式,为工程技术人员的设计计算,以及现场管道安全运营动态管理提供了依据。     

地面占压荷载作用下的管道应力分析

占压导致地基下沉和管道变形.建立了地基-管道的三维有限元模型,分析占压载荷作用下管道的应力与变形.模型考虑了管-土间的相互作用和管底夯实地基,符合占压管道的实际载荷情况.结果表明:管道在上覆土体和夯实地基的不均匀作用下发生局部弯曲和椭圆化变形;上覆土体越软,管道变形越大,管底夯实地基起到阻止管道下沉的作用,二者弹性模量相差越大,管道在夯实地基边缘处的环向弯曲应力越高;内压起到抵抗管道变形的作用,但其影响程度较小;薄壁大口径管道的应力水平和变形程度相对较高,上覆土体对大口径管道横截面变形有较大的约束作用;占压载荷与管道横截面的椭圆化变形率近似呈线性关系,依据极限椭圆化变形率可以确定管道所能承受的安全占压载荷.     

埋地管道静载试验水平边界约束影响的数值分析

基于模型试验结果,通过有限元数值模拟软件研究静载作用下模型尺寸对埋地管道力学性能与形变性能的影响.数值分析结果表明:模型箱水平边界在距管壁20D以内变化时,随着模型尺寸逐渐增大,土体极限承载力不断增加,并且相同荷载水平下加载板沉降与管道径向变形比也随之变大,而管周土压力、管周径向和环向应力均随之减小,边界对管道的约束作用逐渐减弱;模型尺寸不同时,管道径向变形比在加载过程中的变化规律差异明显;地表静载作用下,管道以环向受压为主,并且由于管顶产生土拱效应,管周土压力中管侧处最大,管顶处次之,管底处最小;当模型箱外壁水平向扩展超出20D时,管道上方土体承载力、管道受力和形变规律基本一致.表明为减少或消除水平边界效应,模型箱外壁水平向扩展边界选20D为宜.     

管道层流通用方程的推导及试验验证

为分析充填料浆在管道内的运动,根据流变学及流体力学理论,以Herschel-Bulkley(H-B)本构模型推导出管道层流通用方程,确定了流体管道层流临界条件的计算方法.根据所推导的管道层流通用方程,提出了一种流变参数测量方法,并采用工业级的L管实验装置和流变仪分别测定了某非牛顿流体充填料浆的流变参数.实验结果表明:当含屈服应力的非时变性非牛顿流体在管道层流运动时,管壁切应力沿管径线性分布,管壁处速度梯度和雷诺数有最大值、表观黏度有最小值,在管壁处流速为0;管道内存在半径较大的柱塞流区,柱塞流区边界处速度梯度为0;基于管道层流通用方程的管道试验方法与流变仪测定方法所得流变参数计算的流量结果基本一致.     

残余应力对排液蒸发器强度影响的有限元分析

某排液蒸发器管箱隔板与筒体焊接处产生了焊接变形,其凹陷处最大值为5 mm,影响结构的安全运行.焊接应力与变形是焊接过程的必然产物,计算和分析比较困难.采用固有应变分析法,计算出隔板和筒体的固有应变体积,然后获得简体的焊接残余应力.在此基础上只考虑焊接残余应力、设计应力以及焊接残余应力与工作应力叠加3种工况计算出变形区域的等效应变,并转化为等效残余应力.利用有限元方法对蒸发器的强度进行分析,计算结果可用于指导其实际运行.     

基于Workbench的除尘管道流固耦合数值分析

以大型消音除尘进气管道为研究对象,对其内部流场及结构场进行流固耦合数值分析。根据流体力学基本方程和流固耦合基本方程,应用CFX对管道内部流场进行模拟仿真,得出管道内压力、速度云图。将流场计算结果导入Workbench,利用流固耦合理论,得出耦合后管壁的压力分布和等效变形云图。仿真结果表明,空气流经管道时,从进风口处到出风口处,管道中压力水头转化成速度水头,压力减小,流速增大,出风口处产生负压;耦合后管壁存在微小变形,管壁四个角的变形明显大于壁面变形。     

软土中大直径顶管管道受力特性测试

采用现场实测方法,对深覆软土、长距离顶进、外径4.64m钢筋混凝土顶管的管壁接触压力和环向钢筋受力进行了测试,并与已有文献研究进行对比分析.结果表明:顶管在良好泥浆套中顶进时,管壁接触压力整体分布较均匀,注浆时呈突然增大变化,停顶后逐渐恢复正常水平;管道环向钢筋以受压为主、应力不大,其变化由管道轴向偏移和注浆控制,测试阶段管道受力状态以偏心受压为主;管壁接触压力实测值与按规程计算的设计值相比,管顶处相近、管侧处实测值略大、管底处实测值较小,规程的土压力分布模式用于管道设计计算偏于保守.     

不同载荷位置下平面管桁架静力性能研究

采用有限元分析方法研究平面管桁架,分析其分别在跨中和节点受静载时变形发展的全过程,确定管桁架的破坏模式;对管桁架相贯点最不利应力发展过程进行分析,确定相贯点应力发展次序.分析结果表明:管桁架在跨中受静载时,变形主要以受荷处局部变形和受荷节间整体变形为主;节点受静载时,变形主要以受荷处局部变形为主,整体变形较小.     

大变形埋地钢管结构承载能力及修复方法研究

大直径埋地钢管在大型引调水及水电工程中应用广泛,但施工过程中钢管易出现超出规范要求的大变形,而国内外对大变形埋地钢管的结构特性及处理措施研究较少.本文以某环变形达8.9%的埋地钢管为例,基于现场测试结果,采用数值模拟技术反演了该工程的施工过程,分析了该大变形管道若直接投入运行后的变形、应力及塑性情况,进而结合工程实际提出了水压法修复,并与传统的内撑法修复进行了比较研究.结果表明:大变形埋地钢管承受了较高的弯曲应力且管周土体支撑不足,结构承载能力较弱,荷载作用下钢管的变形和应力会大幅增加,安全风险较大.设置加劲环虽能增加钢管的抗外压稳定,但对管壁应力不利,高应力及塑性区域主要集中在管顶、管腰和管底及加劲环附近.大变形埋地钢管虽不符合规范要求,但不必更换钢管,可考虑对其进行修复,以降低钢管变形并提高管周土体模量,修复方法可采用内撑法或水压法.内撑法采用千斤顶将钢管顶圆,在顶撑区易产生应力集中,适用于管线局部发生大变形的情况;水压法利用内压复圆原理,可使管壁受力均匀,长距离管线下使用更为方便,修复后应检测并修补焊缝及防腐措施,并对运行期管道做好监测工作.研究成果可为类似工程处理及后续规范编制...     

基于人工神经网络的原油管道蜡沉积速率模型

从原油输送管道实际出发 ,利用试验室自制的蜡沉积试验环道对大庆原油进行蜡沉积试验 ,研究了多种因素对原油管道蜡沉积规律的影响 .利用人工神经网络的方法模拟各种影响因素与原油管道蜡沉积速率之间的映射关系 ,建立了多因素非线性影响下的蜡沉积速率模型 .该模型结构为4- 7- 1的三层 BP网络模型 ,它考虑了管壁处的剪切应力、管壁处温度梯度、管壁处蜡分子浓度梯度和原油的动力黏度对管道蜡沉积速率的影响 .利用该模型对实际管道蜡沉积速率进行预测的结果表明 ,利用神经网络方法建立的蜡沉积速率模型预测精度高 ,误差在 2 %以内     

负压作用下PVC-U管失稳因素的分析

为了研究薄壁PVC-U在管内负压作用下失稳破坏的因素,选用规格为Φ160×3.2(mm)/0.32 MPa和Φ160×3.5(mm)/0.4 MPa PVC-U管进行了管道负压破坏试验,并进行破坏过程的数值模拟。试验及模拟结果表明:造成PVC管道负压破坏的原因是管壁环向压应力超出屈服应力时,管壁材料破坏,管壁纵断面旋转,表现出管壁结构失稳变形;管壁弯曲应力的增加是造成环向压应力增大的重要原因;管道的失稳压力随着径厚比和初始椭圆率的增大而显著减小,也随管长的增加而减小;对于壁厚为3.2 mm的管道,管长超过1.2 m时将会负压(-0.1MPa)失稳,而对于壁厚为3.5 mm的管道,管长超过1.4 m时将会负压失稳。研究结果为合理的进行管道加固提供理论依据。     

滑坡带埋地管道力学强度分析

针对西部某滑坡段埋地管道的实际工况环境,开展了滑坡段埋地管道受力的理论分析,由于滑坡带的埋地管
道受力非常复杂,因此,用有限元法建立了滑坡段埋地管道与土壤互作用的有限元力学模型,该模型可以方便和准确
地模拟埋地管道与土壤的相互作用以及管道不同工况和不同边界条件下的应力和变形。根据该模型,详细地分析和
研究了不同斜坡角度和不同滑坡长度下管道内的最大应力、应变的变化,重点分析了西部某段埋地管道的斜坡角度为
20℃时,管道内的最大应力随滑坡段长度的变化关系,为安全滑坡段长度的设计提供了理论依据,该方法可以在类似的
斜坡地段埋地管道中推广应用。     

弹性中心法计算坝后背管工作应力的问题研究

为澄清弹性中心法计算坝后背管工作应力的几个问题,计算了2个工程或模型实例并分别与相应的模型试验及有限元分析结果作了比较分析.考虑到环向管壁为高脚变截面深拱,故在采用弹性中心法时除考虑拉伸与弯曲变形以外,还考虑了剪切变形,也考虑了变截面与混凝土开裂的影响.分析表明,有限元法计算结果与模型试验结果比较接近,而弹性中心法计算结果则与它们相差较大,其理论原因是,弹性中心法不适用于厚壁管.     

煤矿开采影响下浅埋输油管线变形及力学响应特性

针对输油管线穿越采动影响区时的管道变形、选型设计和安全防护等问题,以山东某煤矿3308工作面开采为背景,根据该区域地质条件、管道参数及实测数据,采用数值模拟方法分析了煤矿开采影响下管道的受力变形及区域性特征,研究了管道及土体不同物理力学参数对管道所受应力变化的影响。结果表明：受采动影响的埋地管道变形可分为无变形区段、拉压过渡区段和压缩变形区段,拉压过渡区段存在轴向应力方向变化的拐点;3308工作面开采过程中,管道中点处沉降位移最大,与模拟的管道沿线地表最大下沉值相等,管土间的变形为“管-土协同变形”,管道所受轴向应力由管道两端向中点先增大后减小再增大;不同的管道与土体物理力学参数对管道所受轴向应力的变化有着不同的影响,管线选型时需要综合考虑。研究结果可为采动影响区埋地输油管线的选型设计、施工运营和安全维护提供参考。     

冻胀过程管土相互作用规律及受力特征

为研究冻胀过程中管-土之间的相互作用规律及受力特征,以不锈钢管及冻胀敏感性粉质黏土为材料,在没有外界水源补充的小型环境模型试验机中进行试验。首先,黏贴电阻应变片于管道上,并将管道及其支架放置于敞口保温箱内;其次,填装土样并同步在每个测点布置温度、水分和土压力传感器;最后,在试验过程中实时监测土体的温度、含水率、土压力、冻胀量及管道的变形和应力等变量,主要分析与讨论降温阶段即持续70 h的冻胀阶段所采集数据。研究结果表明:冻胀过程中管道抑制土体冻胀的实质是抑制土体的水分迁移;管土之间相互协调发展且始终保持着动态平衡,冻胀导致管道发生变形的同时管道又约束着土体的冻胀,冻胀受约束而产生土压力;管道变形以及与管道的距离决定管道对土体冻胀的约束程度;管道变形越小,约束率越大,土压力越大,水分迁移量越小,冻胀越小;而同一时刻管轴线两侧土体的冻胀明显比管底土体的大,且距离管道越远的位置,约束率越小,土压力越小,水分迁移量越大,冻胀越大;土压力随着时间而增大,与约束率呈指数增大的关系,但与冻胀呈指数衰减的关系;冻胀引起管道产生轴向及环向应力,轴向最不利应力分布位置为管中4/8处;环向应力的存在说明管道发生截面变形,在较大的冻胀力或外荷载作用在管道上时,环向应力的影响不可忽视。     

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.     

软土地层大直径曲线顶管隧道受力特性

为研究软土地层中大直径曲线顶管隧道受力特征,采用现场实测方法,对软土地层大直径曲线顶管的管壁接触压力、环向和纵向钢筋应力进行测试,并与已有文献研究进行对比分析.结果表明:顶管接触压力整体分布均匀,注浆对管壁接触压力影响较大,停机后接触压力略有减小;环向应力初期以受压为主,顶进后期逐渐转为受拉,整体分布特征不明显,纵向应力以拉应力为主,其变化主要由管道轴线偏移控制;管壁注浆后减阻效果明显,顶力与管侧平均摩阻力均显著降低.对土压力分布模式展开分析,发现顶管规范公式偏于保守;土柱理论由于未考虑卸荷拱效应,所得理论值较实测值偏大;太沙基理论与马斯顿理论与实际情况吻合较好.该研究结论可为实际工程提供参考.     

机坪输油管道荷载附加应力分析

应用ABAQUS有限元软件,考虑管土相互作用,建立并验证了管道结构有限元分析模型.应用该模型,分析了管周附加应力的分布特征,计算了飞机、施工重型车辆和压路机荷载作用下,管道附加应力及其引起的管道结构应力和变形随管道埋深的变化规律.结果表明:不同管道埋深对应的管周附加应力在管顶至管两侧60°的范围内有显著差异,且该范围内附加应力近似呈抛物线分布.即使管道埋深小至1倍管径时,飞机荷载和施工重型车辆荷载引起的管道结构应力和变形仍远小于容许值,而压路机高振幅振动压应力引起的管道结构应力达到管道强度失效的临界标准,是管道承受的最不利外荷载类型,对管道埋深有重要影响.     

聚乙烯供水管道抢修节多目标优化研究

将聚乙烯供水管道抢修节运行中的等效应力、总变形量和总质量作为优化目标,选取高敏感度结构参数作为设计变量,利用有限元法得到优化目标函数初值.采用蒙特卡罗重要抽样技术,通过试验设计采集参数空间中的设计变量样点,指定约束收敛方向.经过多目标优化迭代逼近得到最优解,并生成目标函数与设计变量的优化响应关系.优化后的聚乙烯供水管道抢修节最大应力值减小37.4%,密封面位置最大变形量减小22.2%,总质量降低1.8%.