含缺陷海底管道横向屈曲行为的数值模拟

海底管道在制造、敷设及运行过程中不可避免地会产生局部或整体初始几何缺陷。为了研究海床表面敷设的含缺陷管道横向屈曲行为,建立了含5种初始几何缺陷管道的横向热屈曲非线性数值计算模型,并验证了有限元模型的准确性,重点分析了缺陷类型、不直度对管道横向屈曲行为的影响。结果表明:横向屈曲变形是海底管道安全运行的一个重要威胁,不直度越大,临界温升越小,管道越容易发生横向热屈曲;在不直度相同的条件下,管道初始几何缺陷中心处曲率绝对值越小,抗横向热屈曲能力越强。基于无量纲分析法,提出了适用于含多种通用的初始几何缺陷海底管道的临界温升计算一般表达式,以期为海底管道抗热屈曲工程设计提供参考。     

具脱层复合材料层合圆柱壳的屈曲分析

研究了具有环向贯穿脱层圆柱壳的屈曲问题．首先基于Donnell薄壳理论和初始后屈曲理论的相邻平衡准则，建立了复合材料脱层圆柱壳的屈曲微分方程以及相应的边界条件、位移连续条件和力平衡条件．然后采用分离变量法对方程求解，讨论了脱层大小、深度、位置以及复合材料纤维铺层方向对脱层圆柱壳屈曲载荷的影响．结果表明：脱层长度越大、越靠近壳的外表和壳的轴向中心，结构的屈曲载荷越低；另外，对复合材料脱层壳而言，纤维铺层方向对结构屈曲载荷的影响也较大．     

复杂荷载作用下单轴对称开口薄壁梁柱的弯扭屈曲

采用Rayleigh-Ritz法求解两端等弯矩、横向集中荷载和均布荷载作用下单轴对称开口薄壁截面梁柱弯扭屈曲临界荷载。分析中考虑了3种常见边界条件以及屈曲前变形的影响。将本文弯扭屈曲临界荷载理论值与试验值比较，吻合较好。     

在内压和弯曲载荷下钢管临界屈曲应变的确定

通过有限元分析方法,开展了钢管在内压和弯曲载荷联合作用下的数值仿真计算.基于临界屈曲应变的影响因素分析,确定了计算工况,建立了有限元模型,研究了径厚比、内压、钢级对临界屈曲应变的影响.根据数值计算结果,回归得到了钢管在内压和弯曲载荷作用下的临界屈曲应变的计算公式,利用Matlab回归得到了非线性系数.实物试验结果验证表明,所建立的计算公式与CSA和DNV计算公式相比,有更高的预测精度.     

材料特性对大型油罐象足屈曲临界应力的影响

象足屈曲是大型油罐在地震载荷作用下的典型破坏方式。在国内外规范中,油罐抗震设计公式均基于薄壳的弹性稳定理论,而象足屈曲属于弹塑性屈曲,因此,有必要研究储罐材料特性对象足屈曲临界应力的影响。基于Ramberg-Osgood材料模型,提出大型油罐象足屈曲的临界应力计算公式,分析材料参数的屈强比、屈服强度以及罐壁环向应力对罐壁屈曲临界应力的影响。研究结果表明:大型油罐发生象足屈曲时,材料幂硬化指数与罐壁屈曲临界应力的关系受罐壁环向应力的影响,环向应力的增大能够有效降低储罐的屈曲临界应力,且屈曲临界应力随着屈强比的增大而降低。当环向应力与屈服强度之比一定时,材料屈服强度的增大能够适当提高罐壁屈曲临界压应力,但效果并不显著。     

横向管道滑坡有限元模型的建立及验证

油气管道沿线的地质滑坡会对管道安全运行造成极大威胁,管道一旦发生过量位移或受到过量应力,将产生屈曲变形甚至断裂。采用人工堆土的方法,建立了实体滑坡模型,整个模型平面形态采用圈椅形,将埋地管道当作埋地长梁,主要监测滑坡体自身表面变形、管道变形与应力、管土之间的相互作用力以及滑坡体内部力的分布形式。依据实体模型试验结果,结合弹性地基梁理论构建了横向管道滑坡的有限元模型,结果表明:在横向管道滑坡中,管道应力较大处位于滑坡宽度中央和滑坡两侧边界处。将有限元分析结果与试验监测结果进行对比,从而验证了所建模型的有效性。该模型可以用来进一步探讨滑坡对管道的力学作用。     

有初始缺陷板件超屈曲强度的半分析法研究

本文应用大挠度理论分析了初始缺陷对板件超屈曲强度的影响,并为板件后屈曲分析提出了一个样条函数半分析计算法.该法对各种载荷及位移边界条件板件均可进行计算,与有限元法等相比较,具有计算量少,精度高等显著特点.数值计算结果为冷弯型钢结构设计提供了较完善的理论依据.     

流体压力对油气管道纵向稳定性的影响

建立了海洋立管的挠曲线微分方程，对两端固定约束的情况用无穷级数法求得其临界屈曲载荷计算式，并同时用能量法给出了其近似计算式。讨论了内外液压对管道纵向稳定性的影响，对平躺管道，外部液压的作用增加了管道的稳定性，内部液压的作用减小了其稳定性。计算结果可供管道设计时参考。     

具脱层的正交铺设圆柱壳的轴对称屈曲分析

脱层是复合材料最常见的损伤之一，它将导致结构提前失效．本文应用模态分析法研究了具环向贯穿脱层圆柱壳的轴对称屈曲问题．基于线弹性理论，建立了正交铺设脱层圆柱壳的轴对称屈曲微分方程、边界条件、位移连续务件、弯矩与剪力的平衡条件及相容条件．对方程进行求解，得到了脱层长度和深度对屈曲载荷的影响，并通过算例与已有文献进行了比较．     

固结于弹性约束系统上的挖坑机钻头主轴的临界屈曲载荷

工程结构中受压构件的临界屈曲载荷的计算,是按理想端部约束条件求得的。而实际压杆的端部支承,很难保证支承于理想刚性系统上。因而对支承于弹性系统上的细长压杆,需考虑支坐变位对临界屈曲载荷的影响。本文介绍了利用屈曲系数的计算方法,使计得的临界屈曲载荷更符合实际情况且偏于安全。     

逆断层作用下X80埋地管道的非线性屈曲分析

埋地高强钢管道是油气长距离输送的主要方式,而地震造成的断层位移错动严重威胁管道的安全运行。建立了埋地X80高强钢管道在逆断层作用下的有限元模型,采用弯管与管单元模拟管道,非线性土弹簧模拟管土相互作用。考虑了管材、管土、几何大变形造成的非线性,模型采用非线性稳定算法,保证了求解的收敛性。依据西气东输二线工程参数,详细分析了逆断层作用下管道的两种屈曲失效形式,即梁式整体屈曲失效与壳式局部失稳失效。同时,讨论了断层倾角、管道壁厚及埋深对管道屈曲失效形式的影响。研究成果对穿越断层管道的设计与安全评价有一定的指导意义。     

逆断层作用下X80埋地管道的非线性屈曲分析北大核心

埋地高强钢管道是油气长距离输送的主要方式,而地震造成的断层位移错动严重威胁管道的安全运行。建立了埋地X80高强钢管道在逆断层作用下的有限元模型,采用弯管与管单元模拟管道,非线性土弹簧模拟管土相互作用。考虑了管材、管土、几何大变形造成的非线性,模型采用非线性稳定算法,保证了求解的收敛性。依据西气东输二线工程参数,详细分析了逆断层作用下管道的两种屈曲失效形式,即梁式整体屈曲失效与壳式局部失稳失效。同时,讨论了断层倾角、管道壁厚及埋深对管道屈曲失效形式的影响。研究成果对穿越断层管道的设计与安全评价有一定的指导意义。     

天然气管道的屈曲变形模拟

在外荷载作用下,埋地管道的屈曲失效受诸多因素影响,外压、内压、轴向力和弯矩均会使管道产生屈曲,屈曲变形较为复杂。以西660X7．1钢管发生局部非均匀屈曲为例,通过有限元方法开展管道的屈曲失稳研究,分析不同载荷下管体的变形形式,进而判断造成钢管屈曲变形的主要原因：钢管变形处受到较大弯矩作用,而弯矩是斜坡钢管与土壤之间摩擦力不足,管道输气压力循环波动,土壤随气温季节性冻结、融化产生的管道周期性轴向载荷所致。（图9,参6）     

嵌岩灌注桩初始后屈曲性状分析

为了探讨桥梁工程中广泛使用的嵌岩灌注桩的初始后屈曲性状,先基于弹性地基梁理论假定桩身后屈曲分析模型与相应的桩身挠曲位移函数,由此建立桩土体系的总势能方程;然后采用扰动法,基于能量原理导得不同约束情况下桩顶临界荷载的变化式,并据此讨论了桩土刚度比、桩身埋置率及桩顶自由长度等对桩身后屈曲性状的影响规律.结果表明,当桩周土趋于软弱而桩身刚度越大时,桩身初始后屈曲平衡路径将越趋于不稳定,且可能因桩身初始缺陷的存在而导致其屈曲荷载的显著降低.     

LNG储罐罐体结构与载荷的关联性

随着LNG产业的发展,LNG储罐日趋大型化,储罐的拱顶稳定性问题备受重视。为了研究罐体和罐体载荷对拱顶稳定性的影响,以容积为10 000 m3的LNG单容罐为例,采用有限元法对储罐拱顶稳定性进行罐体结构及载荷关联性分析。在进行结构关联性分析时,比较了不同约束下单独拱顶模型与含罐体的完整结构有限元模型的拱顶临界载荷,发现约束形式对拱顶刚度的影响较大,含罐体完整结构有限元模型能够给出对拱顶的实际位移约束,计算结果更为合理。在进行载荷关联性分析时,提出了一种分析计算方法,分析了罐体各种载荷工况对拱顶稳定性的影响,结果表明:罐体载荷降低了拱顶的稳定性,校核拱顶稳定性时应予以充分考虑。研究成果可为LNG储罐罐体稳定性研究提供理论基础。     

球冠状凹陷对圆柱壳轴向临界载荷的影响

针对导管架受撞击后结构轴向临界载荷发生变化的问题,采用线性屈曲分析模块,模拟分析了凹陷位置、凹陷半径及深度对圆柱壳轴向临界载荷的影响,得出了球冠状凹陷对圆柱壳轴向临界载荷的影响规律。结果表明,承受轴向载荷圆柱壳对缺陷的敏感程度与凹陷位置、半径及深度有关;凹陷位置变化使得轴向临界载荷近似呈现正弦规律,凹陷半径增加使得轴向临界载荷减小,且临界载荷变化率逐渐降低;凹陷深度增加使得轴向临界载荷减小,且临界载荷变化率逐渐增加;圆柱壳对凹陷存在2个最敏感区和2个最不敏感区,这些区域不随凹陷位置、凹陷半径及深度的变化而变化;用Fourier级数拟合凹陷圆柱壳轴向临界载荷计算公式,计算值与仿真结果平均绝对误差是1.5%,满足工程分析的需要。     

洪水载荷下悬跨管道安全性的数值模拟研究

阐述了因洪水冲刷而暴露于河水中的管道的安全性对整条管道的安全运行有着十分重要的影响.利用数值方法分析了洪水载荷作用下的漂浮管道的安全性,以有限元软件ABAQUS计算了不同的管道漂移量与流速引起的管道的环向与轴向应力,同时分析了管道在此类载荷作用下的屈曲模态以及不同的河水流向与管道应力状态之间的关系.对管道自重对管道应力状态的影响进行了分析,分析结果可为管道现场抢修工作提供参考.     

洪水载荷下悬跨管道安全性的数值模拟研究

阐述了因洪水冲刷而暴露于河水中的管道的安全性对整条管道的安全运行有着十分重要的影响。利用数值方法分析了洪水载荷作用下的漂浮管道的安全性，以有限元软件ABAQUS计算了不同的管道漂移量与流速引起的管道的环向与轴向应力，同时分析了管道在此类载荷作用下的屈曲模态以及不同的河水流向与管道应力状态之间的关系。对管道自重对管道应力状态的影响进行了分析，分析结果可为管道现场抢修工作提供参考。     

波状水平段管柱屈曲特性试验研究

在实际钻井作业中,水平井实钻轨迹往往同时存在井斜角和方位角改变,水平段近似呈波状变化,管柱屈曲现象复杂。针对这一问题,对现有的水平井管柱屈曲特性试验装置进行了改造,通过改变管柱组合的尺寸和井眼曲率,开展了波状水平段管柱屈曲特性室内模拟试验,得到了波状水平段管柱螺旋屈曲临界载荷以及屈曲后管柱受摩擦阻力随井眼曲率和环空间隙的变化规律。研究结果表明,在波状水平井眼中,随井眼波状段曲率的增加,螺旋屈曲临界载荷逐渐降低,钻柱屈曲后的摩擦阻力增大;同一种钻柱下,井眼与钻柱的环空间隙增大会导致钻柱临界屈曲载荷降低,摩擦阻力增大。该研究对现场合理选择钻井管柱尺寸以及控制水平井井眼轨迹具有重要意义。     

采用夹层模型对压杆蠕变屈曲问题的分析

基于夹层模型理论，建立了具初始缺陷两端可动铰支压杆的非线性蠕变屈曲控制方程．由于对压杆截面的简化处理，所得控制方程仅含时间函数，极易求得问题的近似解析解或数值解．为验证该方法的正确性和计算精度，基于一般压杆蠕变屈曲理论，对相应问题进行半解析法求解．结果表明，两种解法所确定的屈曲临界时间十分接近，说明当材料非线性较小时，采用本文所提出的简化模型和分析方法，可方便和精确地对压杆蠕变屈曲问题进行定量分析．