海底管道受坠物撞击的三维仿真研究

采用三维非线性有限元法模拟海底管道受到船锚或其他坠落物体的冲击碰撞过程,并采用Newmark法和N-R迭代法相结合求解了撞击动力学方程,分析了物体形状、碰撞角度、物体与管道间摩擦、混凝土厚度及管道内压对管道碰撞的影响.结果表明相同撞击条件下,立方体和球体对管道的撞击产生的最大Mises应力要比圆锥体大的多,随着圆锥角角度的增加管道的最大Mises应力是增加的;碰撞角度为90°时对管道的影响最大;摩擦对管道撞击影响较小;管道最大Mises应力随着混凝土层厚度的增加而减小,但随混凝土厚度的增加,减小的幅度越来越小;内压的存在使管道等效应力增加,但能减小管壁上的局部变形,使得冲击能量更多被用来产生整体变形.     

海底管道受坠物撞击时的弹塑性有限元分析

采用非线性动态有限元法模拟了坠物撞击海底管道的过程.以Ramberg-Osgood模型模拟海床,同时考虑混凝土涂层拉、压不同的非线性特性,并利用罚函数法处理坠物、海床与管道之间的相互作用.分析了物体形状、撞击角度、摩擦、内压、混凝土厚度、埋深及悬空长度对管道撞击塑性变形的影响.结果表明:坠物以尖端撞击管道时,凹痕深度较...     

冰-水耦合作用下流冰对明渠的撞击破坏响应分析

为研究水介质中流冰对输水明渠的撞击影响，基于流固耦合的计算方法，运用LS?DYNA软件对水介质中流 冰与明渠的撞击过程进行非线性有限元仿真，并通过几何比尺为1∶10进行模型试验验证。以流冰与明渠碰撞角 度、流冰厚度、明渠衬砌混凝土强度等级为变量，探究其对流冰碰撞输水明渠的影响规律。结果表明：碰撞角度为 90°工况下的明渠衬砌撞击区的最大等效应力与X方向最大位移分别是38.66°，45°，63.43°工况平均峰值的3.01倍和 4.19倍，且90°工况下明渠衬砌撞击区发生了约为5.72×10-6 m的损伤变形，而38.66°，45°，63.43°工况下的损伤变形 约0~4.78×10-7 m，表明倾斜的坡面可以有效减小流冰对明渠撞击区的撞击力、位移及损伤变形；流冰厚度对明渠 衬砌撞击的最大等效应力与X方向最大位移呈现出近似的线性关系；流冰对明渠衬砌撞击的最大等效应力与X方 向最大位移随着混凝土强度等级的增大而逐渐减小，两者呈现出近似的线性关系。综合分析所模拟的不同工况可 以发现，冰渠之间的水由于受到冰运动时的挤压作用而预先产生一个高压力场，在求解分析时应充分考虑，不可忽 略；同时，试验值与模拟值基本吻合，表明数值模拟仿真模型准确可靠。     

TiNi形状记忆合金低速冲击性能的数值模拟

采用有限元法数值模拟了TiNi形状记忆合金(SMA)的低速冲击性能。考察马氏体相变过程中不同伪弹性模量和弹性应变极限对TiNi合金低速冲击性能的影响。结果表明,随着冲击速度的增加,4种材料的最大接触载荷和位移量都呈线性增加趋势;冲击速度相同时,3种不同伪弹性模量TiNi合金试样的最大接触载荷和位移量近似相等且都低于45#钢,TiNi合金试样产生的最大Von Mises应力和最大塑性应变都低于45#钢;超弹性模量为2.9GPa的TiNi合金产生的最大Von Mises应力和最大塑性应变均最低。TiNi形状记忆合金较低的超弹性模量和较大的弹性应变极限能够减小冲击过程中的最大Von Mises应力,抑制高塑性应变的产生并使塑性变形区域减小,从而提高TiNi合金的抗冲击性能。     

液滴撞击固体球面行为特性的数值研究

基于VOF理论,建立了单个液滴撞击球面基板的模型,并分析了液滴的运动、射流、弛豫和平衡四个阶段的形态变化。对液滴正向撞击球面的过程进行了数值模拟,重点研究了冲击速度、球面直径、表面张力和粘度对液滴沉积行为的影响。结果表明,增加撞击速度,最大铺展直径增加,最小铺展厚度减小;增加球面直径,最大铺展直径增加,最小铺展厚度增加;超过一定粘度后,增加粘度系数,最大铺展直径减小,最小铺展厚度增加;增加表面张力系数,最大铺展直径减小,最小铺展厚度增加。在碰撞初期,铺展厚度以碰撞速度线性递减。当速度过大、球面直径或表面张力过小,会导致液膜出现中心局部破裂现象。     

SPAR平台立管相互碰撞的有限元分析

以SPAR平台中立管与立管碰撞为研究对象,采用三维有限元模拟碰撞过程,并采用显示动力求解结构的最大碰撞力及最大碰撞应力,计算且讨论了内压、碰撞时立管之间的夹角、碰撞时立管速度之间的夹角及摩擦对立管碰撞的影响。结果表明一定的内压值可以使立管在径向更不容易破坏,对于带有保护层的立管,不同角度碰撞对立管碰撞的影响相对较少,当碰撞角度为45度,最大碰撞应力比较小,摩擦对立管碰撞影响不是很大。     

304不锈钢管道在役焊接内壁径向变形数值模拟

为保证管线在役焊接过程的安全和质量,避免烧穿的发生,本文采用焊接数值模拟软件SYSWELD对304不锈钢管道在役焊接过程的径向变形进行分析,分别讨论了管道壁厚、介质压力、介质种类对在役焊接径向变形的影响。结果表明,随着管道壁厚的增加,内壁中心点的最大径向变形量减小。当天然气介质压力小于3MPa时,随着压力的升高,径向变形减小;当管道内压为3MPa-10MPa时,随着压力的升高,径向变形逐渐增大。在管道内压为3MPa时,天然气介质的最大径向变形量大于水介质静态在役焊接的最大径向变形量。     

隧道开挖和爆破扰动耦合作用下埋地管道安全性研究

随着我国交通系统的快速发展,临近埋地管道施工的工程案例越来越多,隧道开挖不可避免地会影响管道的安全。为研究隧道开挖变形及爆破扰动耦合作用下临近埋地管道的安全性,以深圳市大山陂1号隧道施工为背景,建立管-土-隧动静耦合作用模型以分析不同管道内压、围岩弹模、管隧间距、单段最大装药量条件下埋地管道的应力和振速变化规律,进一步引入Morris筛选法对各因素的影响程度进行评价分析。结果表明:管道应力和管道振速受管道内压和单段最大装药量的影响最大;管道应力峰值随着管道内压的增大、围岩弹模的增大、管隧间距的减小和单段装药量的增大而增大;管道远离拉应力峰值的区域,在各种参数的综合影响下,可能出现压应力。     

刚性卵形头弹撞击角度对编织复合材料层合板侵彻特性的影响

利用一级气炮发射卵形头弹撞击2 mm厚度的编织复合材料层合板,撞击角度分别为0°、30°和45°,通过高速相机记录弹靶撞击过程,并获得弹体速度数据。基于拟合公式处理试验数据,计算获取弹道极限,分析撞击角度对弹道极限、靶板能量吸收率及其失效模式的影响规律及机制。结果表明：弹体撞击角度为45°时,靶板弹道极限最高,其次为0°,撞击角度为30°时最小。随着冲击角度增加,层合板损伤形状从菱形逐渐转变为椭球形,损伤面积随冲击速度增加而增大,且45°冲击时层合板损伤面积最大,0°和30°冲击时损伤面积近似相等。弹体初始撞击角度对靶体失效模式存在影响,弹体撞击角度为0°时,纤维断口主要是剪切应力导致的横截面。撞击角度为30°时,纤维断口主要是剪切应力和拉伸应力导致的斜截面。45°斜撞击时,纤维断口主要是拉伸应力导致的横截面。     

汽车缓冲吸能式保险杠碰撞能量衰变特性研究

针对汽车缓冲吸能式保险杠在瞬间将汽车撞击产生的动能转化成多向撞击状态,实现多点同步或异步衰减吸收的目的。基于Hypermesh软件建立汽车缓冲吸能式保险杠正面碰撞有限元模型,采用ANSYS/Ls-Dyna求解器对汽车正面撞击速度分别为10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h时保险杠的最大应力及缓冲吸能装置的吸能特性进行数值仿真,得到不同撞击速度下的碰撞能量衰变特性曲线,仿真结果表明：碰撞时吸能盒的凹槽处和横梁所受的应力最大,横梁所受的应力有向中心集中分布的规律,当其应力集中到某一程度时,横梁开始从中心处发生折弯;随着撞击动能的增加,吸能比呈先增大后减小的趋势;碰撞过程中,碰撞能量近似线性衰减,随着撞击速度的增加,碰撞能量衰减曲线的斜率急剧增大。     

不同曲率情况下的液压管道流固耦合特性仿真研究

管道布局影响流体流动特性与管道应力分布。利用有限元方法对不同曲率情况下管道的流固耦合特性进行了分析,研究了流固耦合作用对不同曲率管道位置等效应力的影响。研究结果表明:流体对弯曲管道在弯曲壁面产生额外的作用力导致管道发生变形,且角度的改变会导致两端进出口位置应力发生较大的波动;管道曲率变化对弯管在弯曲附近位置应力影响较大,随着弯曲角度的增加管道弯曲处应力先减小后增大再减小,而内侧和两侧的应力改变幅度不同;管道曲率半径的改变会影响管道的受力分布。通过分析得出管道布局按R30(R/d=1.5)相比其他管道的模型布局更为合理的结论。     

海床土体减缓坠物对海底管道撞击作用的研究

海底管道受坠物撞击的损伤分析中,海床土体是不宜忽略的因素。基于耦合欧拉-拉格朗日算法（CEL法）,该文建立了模拟坠物撞击海底管道过程中土体变形的有限元模型,并进行了物理模型试验,二者结果吻合较好。针对粘土海床,分析了海床柔性、海床土质、管道埋深、摩擦及坠物形状对海底管道损伤的影响。研究表明:对于裸置管道,海床柔性使一部分撞击能量转化为管道的整体变形,减轻管道局部损伤;对于埋置管道,基于软件的二次开发,考虑了正常固结粘土及均质粘土两种情况,二者的安全埋深相差较大。综合考虑上述土质的影响,2 m的埋深可提供有效的保护;埋深超过1 m时,坠物与土体间的摩擦系数对管道损伤的影响更加明显;形状尖锐的坠物受到土体的阻力较小,对管道造成的损伤程度较大。不同形状的坠物撞击管道时,管道的变形特征存在差异。研究结果对管道的风险评估及安全埋深设计具有指导意义。     

铝合金梁受低速撞击动态响应的试验研究

梁受横向撞击时,其撞击力、局部变形和整体变形等动态响应受到撞击体质量、撞击速度、撞击位置以及梁刚度特性等因素的影响,研究这些参数对动力响应以及对撞击局部效应和整体效应的影响规律,是合理提出抗撞击防护手段的基础。该文利用低速落锤冲击试验装置进行了铝合金梁横向撞击试验,着重研究不同撞击速度、撞击位置和试件刚度等因素对铝合金梁所受撞击力、整体与局部变形、应变与能量等的影响规律。实验结果表明:随着撞击速度的增加,试件吸收能量的速率增大,撞击力幅值不断增加,撞击荷载主峰值段的持续时间减小;试件的整体变形和局部变形都明显增大,但局部效应相对增加更为显著;随着试件刚度（厚度）的增加,试件受相同速度撞击的吸收能量速率增大,撞击力荷载峰值显著增加;试件整体变形减小,而局部变形增加,说明试件刚度越大,其撞击整体效应减弱,而局部效应增强;试件受撞击后整体变形与撞击力相比明显具有滞后性,表明整体效应滞后于局部效应。     

铝合金梁受低速撞击动态响应的试验研究EI北大核心CSCD

梁受横向撞击时,其撞击力、局部变形和整体变形等动态响应受到撞击体质量、撞击速度、撞击位置以及梁刚度特性等因素的影响,研究这些参数对动力响应以及对撞击局部效应和整体效应的影响规律,是合理提出抗撞击防护手段的基础。该文利用低速落锤冲击试验装置进行了铝合金梁横向撞击试验,着重研究不同撞击速度、撞击位置和试件刚度等因素对铝合金梁所受撞击力、整体与局部变形、应变与能量等的影响规律。实验结果表明:随着撞击速度的增加,试件吸收能量的速率增大,撞击力幅值不断增加,撞击荷载主峰值段的持续时间减小;试件的整体变形和局部变形都明显增大,但局部效应相对增加更为显著;随着试件刚度(厚度)的增加,试件受相同速度撞击的吸收能量速率增大,撞击力荷载峰值显著增加;试件整体变形减小,而局部变形增加,说明试件刚度越大,其撞击整体效应减弱,而局部效应增强;试件受撞击后整体变形与撞击力相比明显具有滞后性,表明整体效应滞后于局部效应。     

单层和双层足尺度海底管道抗冲击性能分析

海底管道在服役过程中除了受到常规荷载作用外,还会受到各种意外的冲击载荷作用而失效。为了研究承受横向冲击载荷作用下海底管道的动态特性,对三个单层和一个双层的足尺度管道进行了落锤冲击试验,获得了横向冲击作用下管道的破坏形态、冲击力时程曲线、位移时程曲线及应变时程曲线。建立了分析冲击荷载作用下海底管道失效过程的有限元模型,并通过与试验结果的对比验证了模型的精确性。利用有限元模型研究了冲击高度、材料屈服强度、管道长细比和径厚比等参数对管道抗冲击性能的影响。研究结果表明:海底管道在冲击载荷作用下的破坏模式是局部凹陷处弯曲屈服,由管道的整体弯曲变形与冲击凹痕部位的局部弯曲耦合形成。与单层管道相比,双层管道由于内层管道参与抵抗冲击荷载的作用,从而具有更好的抗冲击性能。管道钢材的屈服强度的增加可有效减小冲击作用下的局部凹陷变形。     

2205/X65双金属管道JCO成形有限元研究

目的研究2205/X65双金属管道JCO成形过程应力应变的演变及其影响因素。方法通过对2205/X65双金属管道JCO成形过程进行有限元模拟,分析了双金属管道成形后应力应变分布与演变情况,得到双金属板材自由弯曲变形特点及不同材料之间的界面应力分布特点,在此基础上研究了最大剪切应力随下压量、下模跨距以及模具半径的变化规律。结果 2205/X65双金属管成形后应力呈分段分布,除了最后一次下压位置,其他各段的应力大小和分布都是一样的,成形后的管坯由圆弧段和直管段相隔循环构成。2205/X65双金属管道成形后中性层在靠近屈服强度更大的2205一侧;在模具下压到最低点时板材上下表面屈服,中性层应力最小;卸载完成后管道厚度方向中间部位有最大残余应力分布,上下表面的环向应力都呈压应力分布。结论不同材料之间界面应力存在大梯度过渡,双金属板材弯曲成形中性层向一侧偏移。2205/X65双金属管道成形过程中最大剪切应力随着下压量的增大呈线性增大,当下压量为30mm时,最大剪切应力达到实验测试的双金属板材的剪切强度;随着下模跨距的增加,最大剪切应力不断减小;随着上模半径的增加,最大剪切应力不断增加,增加幅度较大;随着下模半径的增加,最大剪切应力不断增加,但增加幅度较小。成形后回弹角随着下压量的增大先减小再增大,最后趋于稳定。     

地震时桥梁碰撞分析的等效Kelvin撞击模型

建立地震时桥梁碰撞分析的Kelvin撞击模型的参数确定方法。基于Hertz接触理论,考虑波动效应,按照最大撞击力与最大撞击变形的比值,确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度;数值分析了影响Kelvin撞击模型阻尼系数取值的邻梁碰撞恢复系数。结果表明:Kelvin撞击模型的碰撞刚度随Hertz接触刚度、撞击速度以及短梁与长梁的长度比的增大而增大;波动效应对碰撞刚度的影响明显,不能忽略;邻梁碰撞恢复系数随撞击速度增大而减小,随短梁与长梁的长度比减小而减小;确定Kelvin撞击模型的碰撞刚度和邻梁碰撞恢复系数对城市桥梁的合理取值范围应分别为3×105kN/m―6×105kN/m和0.7―0.95。     

穿越平移断层海底埋地管道屈曲失效分析EI北大核心CSCD

长输海底管道常不可避免地穿过地震断层,地震断层活动可能导致管道发生扭曲、皱折甚至断裂,极大威胁管道安全。采用创新性的向量式有限元方法 (VFIFE)分析穿越地震断层海底管道屈曲失效行为,首先推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式,提出适用壳单元的非线性管土耦合模型,然后重点解决了海底管道屈曲及屈曲传播过程中存在的内壁自碰撞接触问题,编制了Fortran计算程序和相应后处理程序。通过文献对比证明了模型的正确性。开展了平移断层作用下空载状态海底管道屈曲失效过程模拟,分析了穿越角度、土体性质和水压大小对海底管道屈曲失效行为的影响,结果表明:海底管道径厚比小,用钢等级高,周围土体强度低,具有更高的抵抗断层位移载荷能力;较低外压和平移断层联合作用下,管道变形呈S形,屈曲失效由断层位移引起的过度弯曲主导,失效模式是第二个弯曲处或者两个弯曲处的受压侧出现明显内陷,截面变形呈椭圆形;穿越角度越小,屈曲失效的临界断层位移越小;周围土体强度越高(砂土>黏土>淤泥夹砂),管道弯曲变形越严重,屈曲失效的临界断层位移越小;较高外压和平移断层联合作用下,屈曲失效由外压主导,主要模式是第一个弯曲处或者第二个弯曲处首先出现压溃,然后发生屈曲传播现象;不同水压和平移断层位移组合下海底管道破坏程度不一,压溃位置、屈曲传播方向和范围、截面变形呈现不同模式。结果可用于指导穿越地震断层海底管道抗震设计和止屈防护研究。     

考虑混凝土损伤的隔震连续梁桥碰撞响应分析

针对隔震连续梁桥纵桥向主梁与桥台碰撞问题,以一联三跨混凝土隔震连续梁桥作为算例,采用ABAQUS建立了考虑混凝土材料损伤及三维接触碰撞的有限元模型。在此基础上,应用显式积分算法分析了纵桥向地震作用下隔震连续梁桥的碰撞响应,探究了伸缩缝间隙以及支座屈服位移对碰撞响应的影响。研究结果表明:采用三维有限元模型计算得到的碰撞持时与应力波理论得到的结果吻合较好;随着碰撞的发生,混凝土材料损伤积累,碰撞持时有增加的趋势。增大伸缩缝间隙将减小碰撞次数的发生,但对最大碰撞力的影响趋势不明显;随着支座屈服位移的增加,碰撞次数显著减小,但最大碰撞力变化不大。     

锂电池极片辊压工艺变形分析

目的 减小锂离子电池正负极片厚度的不一致性。方法 以锂离子电池正负极片辊压工艺为研究对象,通过理论分析的方法,针对不同压力、不同截面的压辊在工艺变形过程中的挠曲变形和弹性变形进行探讨,并分析不同变形对极片厚度不一致性的影响。同时,对在企业中广泛应用的热压工艺进行分析。结果 正负极片在不同压力下均会发生挠曲变形和弹性变形,前者增加了厚度不一致性,随着压力的增加,挠曲变形程度增大;在辊压工艺中,尽量将极片中心线和压辊中心线对齐,两者有偏移会增加挠曲变形,从而增加极片厚度的不一致性,两者偏移距离越大,挠曲变形也随着增加;此外,压辊直径、压辊弹性模量,以及极片宽度等因素也会影响挠曲变形。结论 辊压工艺中,可以从压辊角度进一步提高极片厚度的均匀性。