夹层输流管道弹性波频散特征分析

对无限长夹层输流管道的管壁弹性波频散特征、管内流体声波频散特征,以及弹性体与流体声固耦合的波传播频散特征进行了研究与分析.基于铁木辛柯梁模型构建弹性体管道的波数解析式.考虑声固耦合效应,对无限长夹层输流管道的管壁弹性波与管内流体声波相互耦合的波数和模态振型进行了求解.运用参数化扫描,分别计算了管内流体域为水和空气情况下...     

无限介质包围的充液管道中导波的频散特性

利用波传播方法从理论上分析了无限介质包围的充液管道中导波的频散特性.基于经典的薄壳振动理论,求出了不同传输路径中的波数表达式,并利用数值方法对振动方程进行解析研究,分析管道参数和无限介质对导波频散特性的影响.结果表明,管道厚径比、管壁厚度、无限介质和管壁材料与导波频散密切相关.其中管道厚径比和管壁材料对流体主导波(s1...     

地震载荷作用下液化土中输流管道动态响应研究

将地震载荷作用下的液化区埋土管道模拟成受到液化土弹性力作用下的直梁模型,将管道两端约束等效化为两端弹性支承,考虑管-土间的相互作用和管内流体与管道之间的流固耦合作用,采用梁模型一般振型函数实施模态叠加法对液化区埋地管道进行地震响应的动态分析,探讨了管道、流体和液化土参数对管道上浮反应的影响。数值仿真结果表明:埋土管道在地震作用下砂土液化时的上浮位移,随液化区管道长度、管外径、管内流体流速、液化砂土的密度和管截面受到的轴向压应力的增大而增大,随管内输送流体的密度、液化土的相对弹性系数、管材的粘弹性系数和管截面受到的轴向拉应力的增大而减小,地震加速度幅值对管道上浮位移的影响相对较小。     

复合材料充液管路流固耦合特性分析

为研究编织复合材料充液管道流固耦合特性,采用传递矩阵法,从各向异性材料本构方程、物理方程与边界条件出发,建立复合材料管道一维流固耦合动力学模型。将模型退化成各向同性管进行计算方法验证,并进一步开展复合材料管FEM软件流固耦合验证。计算结果表明：该计算结果与经典“4方程”模型及有限元三维模型结果一致。在证明了该模型及计算方法的正确性后,进一步研究复合材料管中的铺设角度与纤维体积分数对充液管路固有频率及波数的影响。研究结果表明：提高增强材料体积分数,管路固有频率增加,管路传播波数降低;铺设角度增加,固有频率降低,管壁中传播波数增加。该研究结果可为充液管路的设计与控制提供参考。     

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。     

基于多重非线性管-土耦合模型的管道应变设计方法

基于应变的管道设计方法是利用位移控制思想实现管道的极限状态设计,是管道设计的发展方向。考虑材料非线性和载荷非线性建立管-土耦合模型进行基于应变的管道设计,以设计应变作为可靠度评价指标,建立埋地管道可靠度评价分析模型,通过对不同断层参数和管道参数的分析,得出定量的管道可靠度结果。结果表明:管道的轴向最大拉伸应变和轴向最大压缩应变随断层错距与土壤内摩擦角增大而增加;壁厚、径厚比、埋深对跨断层埋地管道极限应变状态影响很大,参数敏感性最大的是径厚比;敏感性分析的结果可以作为埋地管道完整性评价模型的状态变量。研究结果可为跨断层埋地管道完整性评价及管道安全测试方法提供思路参考。     

平面P1波入射下饱和度对深埋圆形衬砌动应力集中因子的影响

准饱和土是天然土体中比较常见的一种形式,与饱和土相同,其内可传播三种体波:剪切波、快压缩波(P1波)和慢压缩波(P2波)。忽略土颗粒的压缩性,考虑孔隙流体的压缩性以及孔隙流体与土骨架之间的粘性耦合作用,采用修正的B iot模型,运用波函数展开法研究了平面P1波入射时,准饱和土体内深埋圆形衬砌的散射问题,通过数值计算模拟并分析了衬砌的动应力集中问题,结果表明:不论入射频率为低频(100Hz)还是高频(500Hz),对于相同的衬砌,当土体为准饱和时,动应力集中因子沿周向分布曲线的形状和数值基本保持不变;但土体为完全饱和时,虽然饱和度发生了微小的变化(比99%只提高了1%),但动应力集中因子的值却大幅度地降低,其沿周向分布曲线的形状也发生了显著的变化,在工程设计中应重视饱和度对圆形衬砌动应力集中因子的影响。     

穿越非均匀土体埋地管道地震离心实验研究

穿越非均匀土体经历不同地震作用的埋地管线的变形和残余强度严重影响着管道的安全。该文采用离心振动台分别平行于埋地管道长度方向输入0.6 g和0.3 g峰值地面加速度地震波,研究了埋地管道在一系列地震作用和不均匀土体变形共同作用下的响应,得到了PVC和铝合金两种埋地管道穿越软土/硬土土体的地震响应规律。地震引起不均匀土体的瞬时变形,导致埋地管道最大应变发生在土体分界面和软土中,管道拉伸应变幅值软土要大于硬土,而压缩应变幅值正好相反,硬土中管道拉伸应变幅值小于压缩应变幅值,硬土中管道压缩应变幅值受地震烈度影响比软土大。地震引起的土体永久变形对埋地管道残余变形影响很大,硬土中的管道残余应变为压应变,软土中管道的残余应变为拉压应变交替分布。     

充液圆柱壳的波传播和功率流特性研究

以一无限长弹性充液圆柱壳为研究对象，分别用Ｆｌｕｇｇｅ壳体理论与Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程分析管壁结构波运动和管内声场，通过管壁内表面的运动协调条件，建立此耦合系统的运动微分方程。分析了耦合波的传播特点。重点讨论在自由传播波作用时，由壳体中各内力传播的功率流，从能量角度分析了各种波的传播特点。     

外部液动力作用下管道输送流固耦合应力分析

采用计算流体动力学方法分析管道-外部流体相互耦合效应对管道连接点应力影响。以垂直输送管道系统为研究对象,应用数值方法求解外部流体-管道进行流固耦合这一非线性问题。研究结果表明：1)扬矿硬管上端无论是固接还是铰接,外部流场以不同速度冲击管道,应力集中出现在管道靠近连接区域,最大应力也出现在管道连接点处,其余部位管道应力变化较小;2)其最大等效应力随着外部流场速度增大而增大,以固接方式连接产生的管道最大等效应力总是大于以铰接方式连接的最大等效应力。3)当外部流体速度为0.9m/s时,两种连接产生的最小应力值在该流速点均出现局部极小值,且固接时局部极小应力小于铰接时的局部极小应力。     

地铁车站内爆炸引起的地面震动分析

地铁车站内部爆炸及产生的爆炸冲击波将在结构周围的土体中产生巨大的应力波,并向外传播,进而引起地铁车站周边地面的强烈震动,对地面建筑结构造成危害。该文以天津某典型地铁车站为例,对车站内发生意外爆炸后,应力波在周围土体内的传播过程,引起的周边地面震动的特性及其衰减规律进行了数值分析;同时针对国内典型地铁车站,研究了车站埋深、炸药量等参数对地铁车站周边地面震动的影响规律,进而提出了考虑车站埋深和比例距离变化的地铁车站周边地面典型位置的地面震动主要参数的计算公式。该文的研究成果可用于评估恐怖爆炸情况下地铁车站周边建筑的抗震安全性,也可为地铁车站抗爆设计中车站埋深的选取提供理论依据。     

Cagniard-de Hoop path perturbations with applications to nongeometric wave arrivals

Nongeometric wave arrivals are often important in seismology and elastic wave studies related to the nondestructive evaluation of structures. In particular, tunnelling signals caused by significant differences in the material parameters, and wavespeeds at interfaces, generate large responses that may often be dominant. This is common in elastic wave propagation, for instance, when a source is close to the interface of a faster medium with a slower medium, the response in the slower medium is dominated by a signal that has tunnelled through the faster medium. Other instances of tunnelling occur when a compressional source is close to a free surface. In this case the compressional to shear wave conversion at the surface, and the mismatch between compressional and shear wavespeeds, leads to a sharp nongeometric shear wave arrival. Equally, thin high velocity layers demonstrate tunnelling effects that are perturbations of the response brought about by a source in a surrounding slower medium. In the above close refers to the viewpoint of an observer some distance away. In all of the instances there is a common feature, namely, each problem contains a ratio of length scales, x/h, with h either the source depth or layer thickness and x the observer distance; this ratio of length scales characterises the nongeometric responses. Typically, the nongeometric response arises when the current problem is a perturbation away from one where the associated arrival has a direct geometric interpretation. Such problems are ideally suited to analysis by the Cagniard-de Hoop technique. Each tunnelling response is identified as a perturbation away from an exact solution; this leads to highly accurate and relatively simple explicit asymptotic solutions. The perturbation scheme is demonstrated here via the solution of two problems: a compressional source beneath a fluid-solid interface and beneath a thin high velocity layer. The first problem has separate nongeometric responses due to both the material mismatch and the wave conversion at the interface. The thin high velocity layer perturbs the field generated by a compressional source in a slower surrounding medium. In both cases the nongeometric arrivals are analysed in detail.     

Internal blast loading in a buried lined tunnel

The paper presents a comprehensive approach to simulate an explosion occurring inside a buried axisymmetric lined cavity. The approach considers all the stages of the process: detonation of the internal charge; the shock wave propagation in the internal gas and its following interaction with the cavity's shell lining including multiple reflections; soil–structure dynamic interaction, including multiple gap opening/closure and wave propagation in the surrounding medium. The cavity's lining is modeled as a Timoshenko elastic plastic shell. The soil is modeled by the Grigoryan model that takes into account both bulk and shear elastic plastic behavior, including the effect of soil pressure on the yield strength for the stress tensor deviator. The gas-dynamics problem is solved by the modified Godunov method, based on a fixed Eulerian mesh with the so-called mixed cell. The variational difference method is applied to solve the problem in the soil and in the shell domains. The contact pressures acting on the lining due to both the detonation products on the internal side and the soil on its outer side are computed by solving the coupled system of finite differences equations of gas, shell and soil dynamics using a simple iteration method. The problems of a blast-hole charge and of a periodical system of spherical blast charges that are placed at equal distances from each other were solved. The explosion occurs within a cylindrical steel pipeline, surrounded by an elastic plastic loess soil. The effect of the soil elastic plastic pressure-density behavior and its shear properties on the soil–structure interaction (including the gap opening/closure process) was studied.     

P1波在非饱和土地基表面的反射特性

非饱和土是地表天然土体中最常见的一种形式。与饱和土不同,非饱和土内可传播四种体波：一种剪切波(S波)和三种压缩波(P1波、P2波、P3波)。其中P1传播特性与饱和土中的快压缩波相似：传播速度最快,且衰减系数最低。因此,该文运用非饱和孔隙介质理论阐述了弹性波在非饱和土中的传播特性,分析了平面P1波在非饱和土介质自由边界上的反射问题。根据边界条件,分别导出了在非饱和土自由边界上的四种反射波：反射P1波、反射P2波、反射P3波及反射S波的振幅反射系数及能量反射系数的理论表达式,并且在此基础上进行了数值计算。算例中讨论了四种反射波的振幅反射系数及能量反射系数受P1波入射角及地基土体饱和度变化的影响情况。结果表明：各反射波的振幅反射系数及能量反射系数不仅与入射角有关,也受到饱和度变化的影响。这些结论对土动力学的理论研究以及工程地震勘探具有一定指导意义。     

广义Pochhammer频谱特性分析

本文分析了在无限长空心圆管与周围背景介质完好粘结系统纵向运动时，粘结体中的弹性波传播。导出了广义Ｐｏｃｈｈａｍｍｅｒ频率方程，研究了不同材料组合及尺度对其频谱特性的影响，并给出了相应的频谱曲线。     

埋藏空心圆管中边缘波的频谱特性分析

本文分析了在无限长空心圆管与周围背景介质完好粘结系统纵向运动时，粘结体中边缘波的传播问题。导出了该问题的频率方程，研究了不同材料组合及特征尺度对其频谱特性的影响，并给出了相应的频谱曲线。     

线弹性土壤中埋设悬跨管道的屈曲分析

建立了两端埋设在线弹性土壤中的悬跨管道的屈曲方程。利用细长梁小挠度理论,建立了含有轴向压力的悬跨段和埋设段管道的弯曲控制方程。基于埋设段管道的刚度和变形特性,建立了符合悬跨段管道实际情况的边界条件。导出了悬跨段管道对称屈曲和反对称屈曲的屈曲载荷方程,通过数值求解给出了不同土壤刚度系数条件下悬跨段管道屈曲载荷。研究表明:悬跨段管道的屈曲载荷系数依赖于土壤刚度系数,简支梁模型只在特定的土壤刚度系数下适用于悬跨管道;在土壤刚度系数很大时,两端固支梁模型才能反映悬跨管道的屈曲特性。建议采用该方法进行埋设悬跨管道的屈曲分析。     

Forward ultrasonic scattering from multidimensional solid or fluid inclusions buried in multilayered elastic structures

The scattering of elastic waves by multidimensional objects buried in a multilayered elastic background medium insonified by ultrasonic forces is studied. The framework developed is based on an integral equation formalism for elastic scattering, where a Born approximation for an inhomogeneous background medium is applied to obtain a closed-form expression for the scattered field. Both compressional and shear waves are allowed to propagate inside the layers, and take into account cross-polarization at the boundaries and multiple reflections within the layers to compute the scattered field. The procedure has been tested in cases where the Born approximation is severely put to test (100% contrast in shear modulus).