多次侧向冲击下双层钢管混凝土结构的响应分析

利用落锤试验研究了双层钢管混凝土组合结构在多次侧向冲击作用下的抗冲击性能,分析了该组合结构在侧向冲击下的变形机理,并获取了双层钢管混凝土试件在历次冲击过程中的冲击力时程曲线以及历次冲击后的整体变形和凹陷变形数据。试验数据表明:外层钢管及其厚度对该组合结构的抗冲击能力和整体弯曲变形的大小有显著影响;混凝土层有效限制了结构的凹陷变形。相比于传统的空钢管,双层钢管混凝土结构在多次冲击荷载作用下显示了良好的抗冲击性能——更小的整体和凹陷变形,以及较高的吸能能力。     

冲击荷载下级间螺栓法兰连接结构失效实验与数值仿真研究

基于火箭(导弹)级间螺栓法兰连接结构简化的原理性实验件,利用Abaqus有限元模型设计并进行了落锤冲击失效实验。实验采集了螺栓力时程响应数据、落锤冲击力和冲击速度、柱段关键点应力时程响应数据和连接界面开缝位移时程响应数据。实验结果表明,横向冲击荷载作用下连接结构螺栓组呈序列失效特点,螺栓分布面上半部分三个螺栓为初始承载失效螺栓,决定连接结构工作强度,实验数据与仿真模型数据对比表明仿真模型具有良好的计算精度。研究结果可为箭(弹)体连接结构抗冲击强度设计提供参考。     

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。     

铝合金三角形波纹夹芯板抗平头弹冲击的损伤特性研究

为研究铝合金三角形波纹夹芯板受到平头弹冲击后的损伤形式与抗冲击性能,利用一级气炮对铝合金三角形波纹夹芯板的两种冲击位置进行冲击试验。根据试验数据,对比分析三角形波纹夹芯板及等面密度单层板的弹道极限速度与耗能,并结合有限元仿真分析夹芯板的动态损伤过程、动态载荷响应及损伤机理。研究结果表明,三角形波纹夹芯板损伤形式为剪切破坏、撕裂破坏与弯曲变形。波纹板的抗冲击性能低于等面密度的单层板,并且波纹板节点位置的抗冲击性能高于基座位置。当弹体冲击速度较低时,波纹板的耗能低于单层板,随着冲击速度增加,波纹板节点位置的耗能高于单层板,基座位置的耗能与单层板相近。此外,波纹板的动态载荷响应与失效机理均受到冲击位置与弹体冲击速度的影响。     

热轧H型钢柱侧向冲击试验研究

利用DHR9401落锤式冲击试验机完成了两种不同边界约束条件下的12个热轧H型钢柱侧向冲击试验,试验中利用动态应变仪记录了冲击力时程曲线,并获得了试件的破坏形态和残余变形量。试验结果表明:热轧H型钢柱强轴在侧向冲击荷载的作用下,固-简约束边界务件的试件以发生整体弯曲变形为主,翼缘下支垫刚性平台约束边界的试件以撞击部位的局部屈曲变形为主;边界条件对试件的冲击力时程有显著影响;随着冲击能的增大,试件的残余变形增大,两者之间基本呈线性关系;试件在试验过程中表现出良好的延性性能和抗冲击性能。     

API 5L X56管中管横向冲击性能的数值研究EI北大核心CSCD

随着海洋石油行业的蓬勃发展,油气田开发不断向深海发展,对海底管道性能的要求也不断提高。管中管具有良好的保温性能而逐渐得到应用;为系统地研究管中管结构的横向抗冲击性能,采用非线性有限元程序建立了数值模型,并与试验数据进行验证。参数化研究发现,一定冲击能量下,聚氨酯泡沫所吸收的能量与管中管的内管和外管所吸收能量的总和相比所占比重较小;随管中管壁厚和钢材等级的提高,管道的局部凹陷程度降低,海底管中管抵抗冲击变形的能力越强;随管中管悬跨长度增加,管中管跨中截面的残余位移逐渐增大,而横截面残余变形和局部凹陷深度逐渐减小,整体弯曲变形所占的比重逐渐增加,局部凹陷所占的比重有所减小。     

固简支钢管混凝土构件侧向冲击试验研究

对固简支钢管混凝土构件在侧向冲击下进行了耐撞性试验,实测了该构件在冲击荷载作用下的动力响应及破坏过程,得出了试件在冲击力作用下的时程曲线,同时对构件的破坏形态问题也做了分析。试验表明:钢管混凝土构件具有良好的抗冲击性,在构件受到突加荷载作用时,表现出了很好的延性。钢管混凝土受到侧向撞击时,材料有明显的屈服阶段。落锤的速度越高和质量越大,构件的动力响应越明显。这为进一步研究钢管混凝土结构提供了分析方法和依据。     

爆炸冲击荷载作用下SRC柱等效单自由度模型

爆炸冲击荷载作用下结构构件的反应分析方法常用的是等效单自由度模型，在现有的有关资料中，等效单自由度模型主要用于钢筋混凝土构件和钢构件。等效单自由度模型的关键是确定等效弹性位移、破坏位移和屈服强度。以通用有限元分析软件LS—DYNA为基础，研究了钢骨混凝土（SRC）柱在爆炸冲击荷载作用下的反应特征，确定出了等效单自由度模型的等效弹性位移和破坏位移；以常规SRC柱设计理论为基础，提出了等效单自由度模型的等效屈服强度计算公式。最后用所建立的等效单自由度模型和LS—DYNA软件分别对8根SRC柱共48种爆炸冲击荷载工况进行对比分析，验证了所提出的等效单自由度模型。     

格构式钢柱抗侧向撞击性能的试验研究

格构式钢柱常用于重型工业厂房的排架柱或高大的独立支柱,此类构件使用环境复杂性,极易遭遇侧向撞击荷载作用。为探明格构式钢柱的抗侧向撞击性能,利用DHR9401落锤式冲击试验机完成了6根格构式钢柱侧向撞击试验。试验中利用动态应变仪记录了不同冲击能作用下格构式钢柱的冲击力时程曲线,并获得了其残余破坏形态和塑性变形量。结果表明:格构式钢柱在侧向撞击荷载的作用下表现出良好的延性性能和抗冲击性能,其残余变形主要包括整体侧向弯曲变形和撞击部位的局部屈曲变形;其残余变形的变化与冲击能的变化呈线性关系。     

压实系数对内填砂卵石薄壁方钢管柱在冲击载荷下力学性能的影响分析

利用落锤冲击装置完成了不同压实系数下内填砂卵石薄壁方钢管柱侧向冲击试验,试验中记录了冲击力时程曲线,并获得了试件的破坏形态以及残余变形量。基于剩余承载力损伤评估准则,定义损伤度来判定冲击荷载下内填砂卵石薄壁方钢管柱损伤破坏程度,分析压实系数与柱损伤度的关系。试验结果表明:试件在侧向冲击荷载作用下,主要以局部破坏为主,并伴有一定量的整体弯曲变形;除了试件塑性变形中产生的塑性铰能消耗部分冲击能量外,内填砂卵石也能耗散一部分冲击能量,且压实越紧密,能量消耗越多,该组合柱表现出了较好的抗冲击性能;在一定压实系数范围内,损伤度随着压实系数增大出现先增大后减小的趋势,且砂卵石离散程度越小,损伤度的变化速率就越大。     

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。     

The analysis of damage degree of oil and gas pipeline with type II plain dent

Dent is a common type of defect in oil and gas pipelines and the assessment on dented pipelines is carried out with major international standards and specifications based on dent depth as the evaluation criteria. However, such evaluation criteria based on depth does not account for the impact of various parameters (e.g. parameters of dent, parameters of pipeline and the internal pressure of pipeline) on the evaluation result, as a result, many dented pipelines lose their efficacy, even though they meet the depth-based standards. The influence of parameters changes on the damage degree of II-type dented pipelines is investigated on the basis of Oyane's ductile fracture criterion and by the method adopting finite element numerical calculations. Finally, the non-linear regression analysis is conducted and based on the outputs, a specific expression of dent depth and pipeline damage degree is also acquired within a certain scope of application.     

冲击荷载作用下单层网壳结构动力稳定性研究

针对冲击荷载不同于地震作用,而常规动力稳定性判定准则不适用问题,阐述求解冲击问题的基本理论及冲击荷载取值;据冲击荷载特性提出适合冲击碰撞问题的单层网壳结构动力稳定性判定准则;选K6型单层网壳结构模型,利用非线性有限元软件ANSYS/LS-DYNA进行结构冲击作用下动力稳定性分析,通过大量算例,分析其在不同冲击物质量比及速度作用下全过程动力响应,结合动力响应模式获得冲击荷载作用下单层网壳动力失稳的临界能量区域,并从矢跨比、跨度、杆件截面三方面对结构进行参数分析。结果表明,基于网壳动力响应模式与冲击能量相结合方法对单层网壳进行动力稳定性判定合理;结构刚度越小,冲击作用下动力稳定性越差;加大主肋利于提高结构动力稳定性。     

海底悬跨管道动力响应的试验研究和数值模拟

在地震活动区铺设海底管道必须考虑地震荷载的作用。通过在水下振动台模拟海底悬跨管道完成的动力模型试验,根据试验结果分析了管道的悬跨长度、悬跨高度、支撑情况和管内运输不同物质等因素对海底悬跨管道的动力反应的影响。并根据Morison方程建立的海底悬跨管道动力控制方程对试验结果进行了有限元数值模拟,计算结果与试验结果符合得较好。     

海底跨断层输气管道动力特性数值模拟与分析

为丰富对活动断层作用下海底管道的受力特性认识,考虑管土材料非线性与几何非线性特征,采用通用有限元软件ABAQUS严格模拟管土之间的相互作用;按照应变控制准则,结合管道屈曲破坏、极限拉伸破裂等的破坏形式,系统分析了海底走滑断层作用下管道在不同设计参数情况下的位移、应力应变分布情况,得到了不同条件下管道发生破坏时的极限断层位移。最后基于分析结果提出了适用于海底管线设计和运营的一些建议。     

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.     

Failure analysis of directional crossing pipeline and design of a protective device

Failure analysis of crossing pipelines in the operation process after the completion of construction was investigated. Dent and collapse are the common failure modes of crossing pipelines in bad geological strata. The deformation processes of dent behaviour and collapse behaviour of crossing pipelines were simulated. The results show that high stress distribution extends along the axial and circumferential directions under the boulder load, and the maximum equivalent plastic strain appears at the centre of the dent. The collapse process of the crossing pipeline can be divided into six phases. The cross-section changes from an oval shape to a “gourd” shape and then to an “8” shape as the external load increases. Before buckling appears, the decrease in the cross-section area of the crossing pipeline is small. However, the cross-section area increases as the surrounding soil pressure increases after buckling appears. When the cross-section shape reaches the “8”, the decrease in the cross-section area reaches a maximum value of 88.1%. To reduce the failure probability and improve the service life of the crossing pipeline, a protective device was designed for preventing damage. For the protective device, the dent rate of the protective pipeline decreases as the annulus pressure increases under the action of boulders. However, the dent rate of the crossing pipeline increases as the annulus pressure increases. Under the same stratum movement, the deformation of the crossing pipeline with the protective device is smaller than without the protective device. Therefore, the protective device can effectively protect the crossing pipeline and prevent a collapse accident. The protective device can be effectively used on any parts of the crossing pipeline in different locations due to its simple structure and convenient installation in bad geological strata.     

确定轴向冲击下薄壁圆柱壳第二临界速度的新方法

研究薄壁圆柱壳的动态屈曲模式，有助于构造具有高吸能率的抗冲击结构。根据轴向冲击下的薄壁圆柱壳存在使其屈曲模式由轴对称转换为非轴对称的第二临界速度，且当冲击速度大于第二临界速度时薄壁圆柱壳的屈曲模式先呈现轴对称形式，然后随着冲击响应时间逐渐由轴对称形式转化为非轴对称形式这一理论，基于有限元仿真，比较撞击系统动能的时间历程和屈曲变形的时间历程，提出了用以确定第二临界速度的能量迭代法。应用此方法设计薄壁圆柱壳的动力屈曲结构可有效地减少试验次数，降低实验成本。该方法的可行性和正确性利用落锤实验得到了验证。     

船舶中压交流真空断路器结构抗冲击性能研究EI北大核心CSCD

船舶机电设备的抗冲击性能是考核设备战时生命力的重要指标。该研究采用冲击试验机试验和数值仿真方法研究了船舶中压交流真空断路器的抗冲击性能。研究结果表明:原样机在冲击试验后出现了由于结构变形引起的技术特性参数变化(断路器一相超程过小);样机模型的应力危险区域主要存在于底板和支撑底座,对该部分结构采用数值仿真方法(频域载荷)改进模型,改进后模型满足抗冲击性能要求;时域载荷作用下断路器模型的瞬态响应特性呈现为垂向响应较为剧烈,横向、纵向较为缓和,且在0.015 s内响应最为剧烈,于0.15 s趋于稳定;两种载荷作用下的模型响应结果较为接近,其中频域载荷应力值统计结果整体略大于时域载荷,选用频域载荷仿真计算更为保守。     

Failure pressure of medium and high strength pipelines with scratched dent defects

It is very important in engineering design and integrity assessment of pipeline to accurately predict its failure pressure, especially for the pipeline with mechanical damages. This paper numerically investigates the failure pressure of medium and high strength pipelines with scratched dent which is on the outer surface of the pipe. Pipe materials of two different grades are chosen in the analysis which represent medium and high strength steel, respectively. Failure pressure of an intact pipeline with fixed ends is derived analytically. On the basis of the maximum plastic strain failure criterion put forward by previous scholars, failure pressure of finite element models containing dent and scratch defects is determined. Parametric studies are carried out to obtain the influencing rule of the dimensions of dent and scratch. The effects of scratch length and depth on failure pressure with various dent depths are obtained. Finally, a formula is fitted for predicting the failure pressure of pipelines with scratched dents on the basis of finite element results. Compared to burst test data from literature, the proposed formula is proved to be reasonable.