云顶风电场风机倒塌对埋地管道的冲击影响

针对中缅管道工程中面临的风机倒塌砸管的安全性问题,在总结风机倒塌的四种常见失效模式的基础上归纳三种工况,利用侵彻力计算公式,对风机倒塌的冲击力和冲击深度进行估算,并结合管道应变设计理论分析了冲击载荷作用下管道的应力应变等参数的变化规律,给出了安全性评价的结果。结果表明:仅风机倒塌冲击时,管道椭圆度变化较大,管道不被破坏,但难以保证管道正常运行;当风机和叶片或者叶片单独破坏时,下侵力较大,管道直接剪断。因此,建议适当加强管道上方叶片的连接强度,以防管道叶片破坏剪断中缅天然气管道事件发生。     

埋地输气管道落石冲击响应的试验研究

随着管道工业的发展,管道安全性也越来越受到重视,落石冲击等第三方破坏已逐渐成为埋地管道失效破坏的主要因素。关于落石冲击作用下埋地管道的动态响应的数值模拟研究较多,而试验方面的研究特别是现场试验并不多见。首先搭建可用于落石冲击下埋地管道动态响应试验研究的试验平台,进而基于此试验平台针对埋地输气管道在不同高度下的落石冲击响应进行现场试验研究。研究表明,随着落石高度的增加,落石冲击时间稍有增加,管道应变及沉降量逐渐增加,在落石能量约为56.84 kJ时,管道顶面落石冲击点区域附近出现塑性变形。相关结果可以为输气管道的安全铺设及安全评估提供参考。     

冲击作用下钢筋混凝土框架抗连续倒塌数值模拟

为研究冲击作用下钢筋混凝土框架结构的抗连续倒塌性能,采用有限元软件LS-DYNA对两个单层、四个三层钢筋混凝土框架在冲击荷载作用下的抗倒塌性能进行了数值模拟分析,计算过程中主要改变了框架梁的纵筋配筋率,对比分析计算了冲击作用下各框架的内力、位移以及破坏过程等。分析结果表明:冲击作用下,各框架梁均经历了明显的拱效应与悬索效应受力阶段,且配筋率越低,拱效应越明显;框架抗倒塌能力与框架梁配筋率有关,配筋率高的楼层承载能力较强,耗能能力较大,框架空腹作用能提高多层框架结构承载能力。基于数值计算结果,分析了框架结构在冲击作用下的抗倒塌能力以及加强措施。     

空冷风机系统运行时竖向扰力试验研究

为了研究直接空冷系统的风机运行时对风机桥架产生的扰力,设计制作了1∶1试验模型,选择3种工况进行试验,运用无线测量技术对风机运行时风机轴的应变及转速进行了测试,通过应变分离技术确定了由转子质量偏心引起的扰力、由扇叶竖向振动引起的弯矩、由驱动风机旋转引起的扭矩、由空气反作用引起的竖向扰力,分析了不同工况、不同转速、不同扇叶数量等条件下四种扰力的特性。试验结果可供从事空冷风机桥架及其支撑结构设计的人员参考。     

大型风机柔性叶片摆振运动冲击对层间断裂韧性的影响

冲击对材料表面的层间断裂产生重要影响,但对层间断裂韧性影响的趋势尚不明确。尤其是风机叶片在摆振运动时,叶片所受冲击对叶片表面层间断裂的影响及趋势未见公开研究。本文首先对风机叶片摆振运动冲击载荷的动力学响应进行研究,确定振型-位移-速度的对应关系,然后对叶片摆振运动过程中的应力-应变-速度进行有限元数值分析,再依据连续介质力学原理建立摆振冲击载荷控制方程,明确摆振运动冲击导致裂缝的应变能释放率（G）和应力强度因子（K）的关系。最后通过对摆振和冲击实验中断裂参数（振型、位移、速度、载荷、起裂方式以及裂纹长度）的测量,验证了本文中摆振运动冲击对Ⅱ型裂缝层间断裂韧性的影响的研究结果,探讨了摆振运动冲击载荷对叶片表面层间断裂韧性影响的趋势。     

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。     

基于重要杆件失效网架结构连续倒塌动力试验研究

在网架结构模型中,基于杆件轴力与应变能变化响应的杆件重要性评估方法确定初始破坏杆件并引入失效装置,进行了基于杆件失效的结构连续性倒塌试验。在试验过程中,利用动态应变仪、拉线式位移和加速度传感器,获取网架结构模型因初始破坏引发的动态过程总的应变、位移和加速度时程曲线,揭示网架结构连续性倒塌的破坏过程及破坏机制。仿真分析和试验结果表明,支座之间及其相邻腹杆是网架结构关键杆件,其初始破坏失效后,会造成网架结构的连续性倒塌,在实际设计过程中要加强其构件承载力。     

舰载飞机机体主传力结构拦阻冲击动力学试验与仿真分析

舰载飞机拦阻着舰过程中,在多系统相互耦合条件下复杂的拦阻动载荷通过拦阻钩作用于机体结构,对机体结构安全性提出挑战。研究此过程中拦阻动载荷在结构上的传播规律及主传力结构的动响应特性具有极为重要的意义。通过地面拦阻冲击模拟试验,对舰载飞机拦阻减速过程中机体主传力结构动响应进行分析研究,并基于刚柔耦合动力学模型对试验过程进行数值模拟仿真分析。研究得到了拦阻过载和应力应变在结构上的响应特征,获取了过载和应变峰值沿机体传力路径的分布规律,可以作为舰载飞机结构强度设计的重要参考依据。研究表明拦阻冲击过载峰值沿主传力路径顺航向,呈现出明显的衰减趋势。靠近拦阻钩接头结构过载峰值较高,但由于冲击时间短,应变响应较小,不会对机体结构造成损伤和破坏。拦阻载荷在机翼隔离框位置会产生应力集中效应,结构设计时应注意对相应结构作局部加强。     

钢-混凝土结构自振性能和受迫振动研究

对风机激励下钢-混凝土结构的振动响应开展了模型试验和有限元对比计算分析,系统研究了结构的自振性能、共振形态、受迫振动特性、动位移和动应变等力学行为。研究表明:试验数据与计算结果吻合较好。前两阶振型接近,振型在A形架处有回收趋势,说明该处质量和刚度发生突变。同一测点东西向和南北向反应峰值不同时出现,角部测点的振动反应比中间测点大。悬挑部位测点振动响应较大,说明风机激振力导致了局部杆件振动。结构振动响应随着风机开启数量的增加而增大。风机全部开启时结构最大振动位移约0.1 mm,最大动应变为256.5×10-6。结构低阶共振响应大于高阶共振响应,风机高频运转时出现局部杆件强迫振动。建议避开结构前三阶频率,同时应采用合理构造措施防止构件疲劳破坏。     

低速冲击下复合材料层板压缩许用值

为评估航空结构中常用的T300级和T800级2种碳纤维/环氧树脂复合材料层压板的冲击后压缩许用值,对2种材料体系下具有不同厚度及铺层的层板进行了低速冲击和冲击后压缩试验;讨论了冲击能量、凹坑深度、损伤面积及冲击后剩余压缩强度等之间的关系,以及厚度、铺层、表面防护等因素对其造成的影响;重点关注了2种材料体系下各组层板的目视勉强可见冲击损伤(BVID)形成条件以及含BVID层板的剩余强度.结果表明:厚度及铺层对层板的凹坑深度-冲击能量关系影响较大,而对冲击后压缩强度-凹坑深度及冲击后压缩破坏应变-凹坑深度关系影响较小,且在相同铺层比例下,BVID对应的冲击能量随厚度近似呈线性增长.X850层板的损伤阻抗性能明显优于CCF300/5228层板的,但二者损伤容限性能相当.加铜网、涂漆等表面处理显著提高了层板的损伤阻抗,但对损伤容限性能影响不大;在损伤不超过BVID时,所有CCF300/5228试件的压缩破坏应变均大于4 000 με,而X850材料体系下压缩破坏应变均在3 000 με之上.     

应变速率型RC梁柱显式分析单元及其在ABAQUS软件中的实现

为准确、高效地分析钢筋混凝土(RC)梁柱结构在强动载作用下的损伤破坏甚至倒塌,建立了能够描述大变形、大应变的空间纤维Timoshenko梁单元,并将其与考虑率相关效应的钢筋、混凝土材料模型相结合,通过用户显式单元子程序在ABAQUS中实现。基于所建立的应变速率型3D纤维梁显式单元,借助ABAQUS的前后处理及求解功能,对爆炸荷载作用下的RC梁柱构件的动态响应和破坏模式及RC框架结构的连续性倒塌进行分析。结果表明:建立的应变速率型3D纤维梁柱单元能够合理描述RC构件的变形特性及钢筋、混凝土的应变速率效应;可以模拟爆炸作用下RC构件的弯曲、弯剪及直剪破坏模式,以及RC框架的连续倒塌过程;将纤维梁柱单元与率相关模型相结合于ABAQUS软件提供了一种强动载作用下高效、精确的RC结构非线性分析方法。     

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。     

连续侧向冲击作用下钢筋混凝土管动力响应试验研究

为了揭示钢筋混凝土管在连续侧向冲击荷载作用下的破坏机理,完成了6个钢筋混凝土管的横向冲击测试,考虑了不同落锤高度、冲击次数以及简支、固支两种约束形式对钢筋混凝土管侧向冲击动力响应的影响。提出了冲击力和跨中变形的预测公式并采用试验数据进行了拟合,得到了不同冲击速度、冲击次数对管道冲击力峰值和跨中位移的变化规律。采用吸能系数来量化评价管道承受侧向撞击时的吸能能力。结果表明,固支约束管道变形破坏显著好于简支约束试件,承受多次侧向撞击后,吸能系数增大,抗冲击变形能力明显下降。     

GFRP复合材料叶片摆振运动表面位移与层间断裂韧性响应

风机GFRP复合材料叶片摆振运动时产生的层间滑动裂纹是叶片破坏的主要诱因之一,应力强度因子K是层间断裂韧性的重要参量,也是表面裂缝安全性评估的重要指标之一。本文在试验基础上提出了由GFRP复合材料叶片表面位移推导K值的新方法,通过试验验证其理论正确性,试验与仿真对比证明了通过叶片摆振运动表面位移来研究层间断裂韧性响应的方法是可行的,为GFRP复合材料风机叶片的强度预测提供了新的思路和方法。     

岩石在动载作用下破坏模式与强度特性研究

岩石在高应变率下的破坏类型及动态强度理论是工程爆破中的一个重要的基本问题。以往研究岩石的破坏类型只停留在静载作用下,而其强度理论也多采用静态强度理论。作者利用ＳＨＰＢ装置对常见的四种岩石进行了大量冲击试验。结果表明,岩石在冲击载荷作用了下破坏分为四种类型：压剪破坏,拉应力破坏,拉应变破坏和卸载破坏,而且其破坏强度随冲击速度的提高而提高。最后对强度理论作了讨论。     

落锤冲击作用下钢筋混凝土短梁响应及破坏试验研究

钢筋混凝土短梁是建构筑物的关键承力构件，为研究其在冲击荷载作用下的动力响应及破坏机制，结合应变式传感器、高速摄影、数字图像技术(DIC)等测量手段，开展了不同冲击体质量、冲击速度和冲击能量下的落锤冲击试验。结果表明：(1)冲击荷载作用下钢筋混凝土短梁破坏形式表现为拱形震坍裂缝和整体弯曲变形，与浅梁破坏形式有明显差异；(2)钢筋混凝土短梁跨中轴向应变由拉应变转为压应变，随着冲击能量增加(18 061 J≤E≤49 831 J),跨中轴向峰值拉应变、残余压应变均先增大后减小，钢筋混凝土短梁依次处于弹塑性挠曲变形、冲剪破坏模式阶段；(3)冲击荷载作用下钢筋混凝土短梁的裂缝萌生和扩展过程并不是单向的，裂缝多次多向扩展形成裂缝带，进而形成塑性铰，导致短梁整体破坏；(4)梁体变形程度主要取决于冲击速度而非冲击能量，具体表现相同冲击能量(30 000 J)下，随着冲击速度增加(5.53 m/s≤v≤7.13 m/s),梁体跨中峰值挠度和残余挠度相应增大(26.81 mm≤w_p≤29.85 mm; 17.12 mm≤w_r≤21.66 mm)。研究成果可为钢筋...     

钢框架梁柱节点子结构抗冲击力学性能有限元仿真研究

基于有限元软件ABAQUS对钢框架节点(全焊节点和栓焊节点)进行了非线性动态响应数值仿真模拟分析,模型合理考虑了螺栓预紧力、接触、非线性大变形及应变率效应等因素。采用该模型模拟梁柱节点子结构抗冲击试验,分析结果表明,采用显示求解器可获得较好精度和稳定性,有限元模拟的破坏模态、冲击力和位移时程曲线等结果与试验结果吻合良好。在大变形下过焊孔趾部是节点应力集中最显著的部位,是整个构件破坏的起始点。通过仿真分析,可获得梁柱节点子结构在冲击荷载作用下的动态响应和内力发展过程,该数值分析方法为深入研究钢结构抗倒塌工作机理并为合理评估其抗倒塌变形和耗能能力提供依据。     

考虑应变率效应的钢筋混凝土结构非线性地震灾变过程模拟

为研究应变率对钢筋混凝土结构非线性地震灾变过程的影响,采用钢筋、混凝土单轴动态本构关系及加卸载准则,基于纤维梁理论开发了ABAQUS显式动力分析材料子程序。通过对3层偏心钢筋混凝土框-剪结构振动台试验的数值模拟,验证了该程序用于钢筋混凝土结构非线性地震反应分析的准确性和有效性。通过在材料子程序中定义钢筋、混凝土材料失效破坏判别准则,实现了地震作用下考虑应变率效应的钢筋混凝土结构连续倒塌破坏全过程模拟。分别对振动台试验模型结构和钢筋混凝土框架结构的倒塌破坏模式进行了预测,初步探讨了应变率对钢筋混凝土结构地震反应与连续倒塌破坏过程的影响。结果表明:该程序能够准确模拟钢筋混凝土结构的非线性地震灾变过程,可用于考虑材料应变率效应的钢筋混凝土结构抗震设计与分析中。     

基于应变模态的风机塔筒根部疲劳裂纹损伤检测研究

风力发电机塔筒根部所受弯矩大易产生疲劳裂纹，及早地检测发现裂纹有利于防止风机倒塌破坏。研究一种基于应变模态的塔筒根部疲劳裂纹损伤识别方法。首先建立塔筒的振动微分方程和应变模态；然后构建风机模型并进行模态分析，研究塔筒损伤前后固有频率、位移和应变模态振型的差异；最后建立应变模态变化率的疲劳裂纹识别指标，并基于最小二乘法拟合应变模态变化率与损伤程度的数学关系。结果表明：塔筒受损前后固有频率和位移模态振型无显著改变，无法进行损伤定位；应变模态振型在受损处出现峰值突变，且损伤程度越高突变越明显；应变模态变化率与损伤程度呈正相关，采用六次多项式可拟合出两者的关系。     

主动围压作用下水泥粉质黏土SHPB试验与分析

为研究围压状态下水泥粉质黏土的冲击压缩特性,进行了不同围压和不同应变率条件下水泥粉质黏土的霍普金森压杆(SHPB)试验,分析了围压和应变率对水泥粉质黏土动态应力-应变曲线、冲击压缩强度以及破坏形态的影响。试验结果表明:围压和单轴状态下的水泥粉质黏土动态应力-应变曲线均经历弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段,但是两种状态下水泥粉质黏土试样的破坏形态不同,单轴条件下水泥粉质黏土试样的破坏程度随应变率增加而逐渐变大,围压作用下水泥粉质黏土在冲击试验后保持较好的整体性。围压和应变率共同影响水泥粉质黏土的冲击压缩强度:相同应变率条件下,水泥粉质黏土冲击压缩强度随围压的增加而增大;相同围压条件下,水泥粉质黏土峰值应力和峰值应变均随应变率的增加而增大,表现出明显的应变率效应。