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。     

深水管道在动力载荷作用下的局部压溃特性研究

管道在深水环境中易遭受外压和动力载荷的联合作用,该状态下结构的局部压溃特性还有待与深入探索。建立了管道数值模型,模拟结构屈曲过程并得到临界动力载荷幅值;对影响管道局部屈曲的动力载荷频率、外压大小、管道长度、初始椭圆度缺陷等敏感性因素进行了分析。结果表明,管道截面壳振动使管道承载能力下降是诱发局部压溃的主因,动力载荷对管道的危害大于静力载荷,动力载荷频率接近于截面壳振动频率最易引发局部压溃,管道长度降低可以大大降低动力作用下局部压溃的可能性。     

半刚接钢框架-内填剪力墙结构滞回性能的数值模拟

为了系统研究半刚接钢框架-RC剪力墙结构的滞回性能,编制了非线性有限元程序SRCWNP。对两层单跨半刚接钢框架(柱弱轴)-RC剪力墙结构试验试件的滞回性能进行有限元模拟。分析了RC墙裂缝开展;混凝土压溃过程;结构的内力分配;滞回曲线和破坏模式。模拟结果与试验结果基本吻合。     

复合材料“T”形长桁压缩性能研究

压缩性能是飞机中央翼用“T”长桁上壁板的重要指标。为验证有限元分析方法模拟“T”形长桁压缩破坏过程的合理性,本文选取单根“T”形长桁作为试验件,并根据铺层和尺寸的不同将试验件分为4种。运用工程算法计算了长桁的局部屈曲载荷、压损载荷；用有限元算法计算了长桁的屈曲载荷、压损载荷；通过试验获得长桁的局部屈曲载荷、屈曲载荷和压损载荷。比较分析上述3种方式得到的结果,可以发现:工程计算结果与试验结果误差偏大,误差达到8%~50%,且全部偏于保守；有限元计算结果与试验结果较接近,误差在10%以内；利用有限元模拟试验件的压缩破坏过程得到的载荷-位移曲线与试验结果比较一致。研究结果表明,有限元计算分析方法可实际工程应用,为设计人员提供设计依据。     

纤维缠绕复合材料气瓶内衬的屈曲分析

为深入了解纤维缠绕复合材料气瓶的内衬屈曲情况,基于ANSYS有限元软件,运用数值模拟方法对纤维缠绕复合材料气瓶的金属内衬结构进行屈曲分析,建立了复合气瓶内衬结构的有限元模型,采用特征值法分析得出内衬1~10阶的屈曲模态,并利用非线性稳定法绘出内衬位移量随外压变化曲线.结果表明,计算得到的内衬临界失稳外压为0.199 MPa,与复合气瓶内衬外压试验结果相符合,证实了本文对于复合气瓶内衬屈曲分析的可靠性.     

高强铝合金角形短柱轴压局部屈曲行为研究

为研究高强铝合金角形轴压短柱的局部屈曲行为，对9个由701-T6和703-T6两种高强铝合金材料制作的角形短柱试件开展了轴压试验，试验结果表明：试件的局部屈曲均发生在材料屈服之前，呈一阶特征值屈曲模态。对所有试件进行了有限元建模计算，将有限元模拟结果与试验结果进行了对比验证，并采用验证后的模型进行了参数分析，研究了板件宽厚比对局部稳定性能的影响，板件宽厚比越大，局部屈曲发生越早。将试验与有限元模拟结果与我国现行标准的计算结果进行了对比，发现现行标准中的局部稳定设计公式计算得到的承载力偏低，用于工程设计中尽管能保证安全性，但无法发挥高强铝合金本身的性能优势。因此，在现行标准设计公式的基础上进行了修正，修正后的设计方法能更准确地计算构件承载力，在保证可靠性的前提下更充分地利用材料强度。     

V型折叠式夹层板横向压皱吸能特性研究

金属夹层板具有优越的力学性能,良好的吸能特性可用于船舶耐撞、抗爆防护结构设计。以V型折叠式夹芯结构为研究对象,通过试验分析夹芯层结构变形模式、压皱力历程曲线等,得到了夹芯层结构横向压皱力学性能,采用有限元软件Abaqus对其在横向受压时的力学行为进行数值仿真分析,分析结构压皱动态渐进屈曲过程、变形模式、吸能效率、平均压皱强度等。对比分析表明,V型夹芯层结构在横向压皱载荷下发生屈曲、褶皱变形模式,变形模式决定了压皱力学行为及其性能,其中单元变形模式I的吸能效率较高。采用合理的模型化技术得到的有限元计算结果与试验结果两者吻合较好,验证了有限元数值仿真的计算精度。     

含切口复合材料加筋板的压缩剩余强度研究

通过对含穿透切口的复合材料加筋板轴向压缩试验以及有限元渐进损伤模拟分析,研究了加筋板离散源损伤的扩展模式与破坏特征。结果表明,切口前端出现了非常明显的应变集中且最先发生破坏,沿切口方向未切断筋条的屈曲和壁板边缘的突然压溃导致了加筋板的最终破坏。基于最大应变判据和Hashin判据的三维有限元渐进损伤模拟有效的表达了含切口复合材料加筋板的损伤扩展,计算结果与试验吻合较好。     

复合材料加筋板后屈曲特性研究

通过对复合材料加筋板进行轴向压缩实验和非线性有限元模拟,研究了其后屈曲阶段的损伤和破坏行为.加筋板在实验中被压缩至完全破坏,压溃的加筋板表现出复杂的后屈曲损伤,包括筋条脱粘、纤维断裂、分层、基体开裂等损伤模式.有限元模型中引入了Hashin准则和基于二次应力的胶层失效准则,失稳及破坏载荷的预测结果和实验值吻合较好.分析...     

承插管件连接处涂层的耐蚀性及密封完整性评价

根据西北某油田现场集输管道环境特点,通过高温高压腐蚀模拟试验,水压爆破试验和有限元计算,结合涂层附着力及扫描电子显微镜(SEM)测试对过盈压接管道接头处的涂层有效性和管段密封性能进行评价。结果表明:管道接头处和管体处涂层的表观形貌在腐蚀模拟试验后均未发生明显变化,涂层/基体界面无腐蚀产物出现,管道接头处涂层附着力与管体无明显区别,均高于22 MPa;管段静水压试验失效模式为连接段内外管脱开,最大压力为39 MPa,有限元计算结果与试验结果基本一致,模型可以用于同类管段承压时的受力分析。过盈承插连接方式能够保证接头位置具有涂层完整性和较高的密封完整性,能够满足油田典型集输管道的环境要求。     

基于向量式有限元的输电塔风致动力响应研究

该文以某大跨越格构式输电塔风致响应为例进行向量式有限元的应用分析,采用C++语言编写杆系结构向量式有限元的计算程序,获得输电塔的响应并与传统有限元结果进行比较,探讨阻尼处理方法和计算步长对计算结果的影响,最后针对输电塔进行风荷载作用下的倒塌分析。研究表明,两种方法算得的位移响应非常接近;向量式有限元法的计算效率比传统有限元高,该文算例中计算时间相差约20倍;计算步长对有限元计算结果有影响,建议计算时进行试算;向量式有限元可以用来求解输电塔的倒塌问题。     

一种组合式屈曲单元及其在输电塔结构倒塌仿真分析中的应用

为准确模拟输电塔构件的屈曲特征,该文提出了一种组合式屈曲单元。该单元基于有限元基本理论,用宏观塑性铰来实现构件材料的非线性,采用拉压弹簧模拟轴向塑性伸长,采用转动弹簧模拟塑性弯曲。基于MATLAB程序编写了该单元的静动力仿真程序,并应用于输电塔结构的静力推覆分析和倒塌仿真。通过对比自编程序和ABAQUS软件的仿真结果,验证了自编程序在几何非线性和动力求解方面的正确性;同时与钢支撑实验数据对比,验证了该组合式屈曲单元对非线性行为模拟的精确性和适用性;采用该单元对输电塔足尺实验进行了模拟,结果表明,该组合式屈曲单元可以有效地预测输电塔的极限承载力、失效位置及倒塌过程。     

向量式有限元在索穹顶静力分析中的应用

索穹顶结构是一种由预应力拉索与竖杆组成的高效柔性空间结构,易发生较大位移,拉索可能出现松弛现象。该文采用向量式有限元进行了索穹顶的静力分析。向量式有限元是一种向量力学与数值计算相结合的分析方法,不同于传统分析力学方法和其他数值计算方法。向量式有限元基于运动方程求解,不需求解非线性方程组及刚度矩阵,尤其适合于发生刚体位移和几何大变形的结构或机构求解。该文首先介绍了向量式有限元的基本原理,推导了预应力索单元的求解公式,最后采用自编向量式有限元程序,分析了一个单摆模型和一个索穹顶结构模型。结果表明:向量式有限元应用于索穹顶静力分析是可行而且可靠的,在传统有限元计算难以收敛的情况下仍然可以对结构进行精确的非线性分析,为索穹顶的非线性分析提供了一种新的方法和手段。     

能量平衡结合有限元数值计算分析天然气管道裂纹稳定扩展问题

本文提出了在天然气管道裂纹稳定扩展问题中，应用能量平衡方法结合有限元数值计算结果来分析计算裂纹驱动力。能量数值计算采用了可模拟动裂纹在管道上扩展的有限元程序ＰＦＲＡＣ，它包括了对未开裂管道和裂纹扩展管道的能量计算。通过分析外力作功和内部能量在裂纹扩展时的变化率，应用能量平衡方法计算了裂纹驱动力，并与在ＰＦＲＡＣ程序中应用节点力释放方法计算的裂纹驱动力的结果进行了比较     

单层网壳结构弹塑性屈曲分析的离散单元法研究

该文提出离散元塑性区法,即将任意2个球元的接触截面划分成若干小面积,通过各小面积的应力状态描述整个截面的塑性发展过程,较离散元塑性铰法更精确。该文推导了杆系离散元截面应变增量计算公式,建立了截面在三维应力-应变状态下的结构弹塑性本构方程、加卸载准则、截面内力积分公式以及计算分析流程。离散元弹塑性屈曲分析的追踪策略与弹性屈曲分析完全相同,即仍采用离散元力控制法或位移控制法。采用Fortran语言自编程序对若干单层网壳结构算例进行弹塑性屈曲分析,验证了离散元塑性区法的正确性和适用性,拓宽了离散单元法在工程领域的应用范围,为结构分析提供了新路径。     

Buckling of filament-wound composite cylinders subjected to hydrostatic pressure for underwater vehicle applications

The buckling and failure characteristics of moderately thick-walled filament-wound carbon–epoxy composite cylinders under external hydrostatic pressure were investigated through finite element analysis and testing for underwater vehicle applications. The winding angles were [±30/90]_FW, [±45/90]_FW and [±60/90]_FW. ACOS, an in-house finite element program, successfully predicted the buckling pressure of filament-wound composite cylinders with 2 ∼ 23% deviation from the test results. The analysis and test results showed that the cylinders do not recover the initial buckling pressure after buckling and that this leads directly to the collapse. Major failure modes in the test were dominated by the helical winding angles.     

Nonlinear large deflection buckling analysis of compression rod with different moduli

Many novel materials exhibit a property of different elastic moduli in tension and compression. One such material is graphene, a wonder material, which has the highest strength yet measured. Investigations on buckling problems for structures with different moduli are scarce. To address this new problem, first, the nondimensional expression of the relation between offset of neutral axis and deflection curve is derived based on the phased integration method, and then using the energy method, load–deflection relation of the rod is determined; second, based on the improved constitutive model for different moduli, large deformation finite element formulations are developed, and combined with the arc-length method, finite element iterative program for rods with different moduli is established to obtain buckling critical loads; third, material mechanical properties testing of graphite, which is the raw material of graphene, is performed to measure the tensile and compressive elastic moduli; moreover, buckling tests are also conducted to investigate the buckling behavior of this kind of graphite rod. By comparing the calculation results of the energy method and finite element method with those of laboratory tests, the analytical model and finite element numerical model are demonstrated to be accurate and reliable. The results show that it may lead to unsafe results if the classic theory was still adopted to determine the buckling loads of those rods composed of a material having different moduli. The proposed models could provide a novel approach for further investigation of nonlinear mechanical behavior for other structures with different moduli.     

焊接箱形截面不锈钢柱相关稳定性能分析

采用有限元法对焊接箱形截面不锈钢柱的局部与整体相关稳定性能进行分析,研究利用板件的屈曲后强度,以实现更为经济合理的构件截面设计。建立了可以准确模拟不锈钢非线性材料力学性能、截面焊接残余应力和构件的局部与整体几何初始缺陷等因素的精确有限元数值模型,并依据试验结果对模型的可靠性进行了验证。基于验证可靠的有限元模型,开展了系统参数分析,同时补充了大量的数值计算数据点。根据得到的试验和有限计算结果,对相关稳定承载力的理论计算方法进行了比较分析,表明现有的方法应用较为复杂,而且可能高估构件的相关稳定承载力。针对奥氏体型和双相型两类不锈钢提出了通用的计算修正系数,给出了新的直接强度法计算公式,经试验与有限元计算结果验证,表明其能够准确计算焊接箱形截面不锈钢柱的相关稳定承载力。