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。     

滚滑接触下钢轨热力耦合分析

采用热弹塑性有限元法,对滚滑接触状态下的钢轨进行热力耦合分析,计算钢轨接触区附近的温升和应力/应变,并分析蠕滑率对它们的影响。有限元模型中,考虑材料参数随温度的变化,通过在钢轨表面上移动边界条件来模拟车轮的移动。分析结果表明:热影响区主要在很薄的钢轨表层;钢轨表层温升和热应变均随着蠕滑率的增大而增大。热载荷在钢轨表层产生的周向和轴向残余应力表现为拉应力,其在蠕滑率小时有减小机械载荷产生的残余压应力作用;在蠕滑率较大时热响应对残余应力和残余应变影响明显,且当蠕滑率增大到一定值时,考虑热影响时热力耦合作用下的周向残余应力和轴向残余应力都表现为拉应力,而不考虑热影响时二者表现为压应力,随着蠕滑率的继续增大,考虑热影响时的残余应力和残余应变随之增大。     

参数激励下深海立管多模态耦合振动特性分析

由于浮体升沉运动影响,引起立管在水平方向上发生参数激励振动。参激振动可以引起平衡位置的不稳定性,如果系统参数组合落在不稳定区域,将导致立管振动破坏。针对简谐参数激励,建立立管横向振动方程,考虑立管内部张力沿轴线变化,立管固有频率和振型发生变化,参激振动出现模态耦合效应。采用Floquet理论分析了立管无阻尼和有阻尼时的参激稳定性,计算了临界参数激励下的动力响应。与单模态参激振动对比表明,同等阻尼下,模态耦合参激振动不稳定区域显著增大,更易发生参激共振。多模态耦合参激振动发生时,小激励也能激起大响应,特别是弯曲应力将显著增大。     

基于ANSYS的气液两相流海洋立管流固耦合特性分析

运用ANSYS软件对气液两相流海洋立管进行了流固耦合特性分析,包括模态分析和动力学分析。模态分析研究了有无流固耦合存在时立管振动模态的变化以及流体边界条件对立管固有频率和阵型的影响;同时,将仿真分析同DNV公式求解的固有频率进行了对比验证。动力学分析研究了单、双向流固耦合振动分析,并将单、双向流固耦合进行了对比分析,同时考虑了立管支承方式、流体边界条件对立管振动的影响,提出了立管减振措施。分析结果对海洋立管的优化设计和运行的可靠性提供了重要的理论意义。     

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。     

温度对水饱和孔隙介质压缩波速度的影响

温度作用使孔隙介质密度、弹性模量等参数发生改变,从而影响声波传播性质。文章基于变形体能量守恒定律,考虑热机耦合和两相介质热耦合,推导水饱和孔隙介质的热传导方程;考虑孔隙水和固相孔隙介质存在的三种耦合性,基于热作用下应力应变关系分析,建立了热机耦合声波传播模型;设计温度变化沉积物样品声学测量实验,当温度由2℃增加到27℃时,压缩波速度平均增大88m·s^-1运用热机耦合声波传播模型解释了实验测量结果的上升趋势,获得理论计算值与测量值相对偏差范围为-3．03％～1．19％。     

基于整体分析的钢悬链线立管触地点动力响应分析

在立管动力平衡系统的力学模型中考虑浮式平台的惯性作用和管-土相互作用,研究在不同参数激励下钢悬链线立管触地点动力响应。基于大挠度柔性索理论,分别采用具有弯曲刚度的大挠度细长梁、弹性地基梁模拟立管的悬垂段和流线段,考虑触地点处的大曲率,建立了立管的三维有限元模型,利用Galerkin方法对运动方程离散为一组非线性二阶常微分方程,运用Newmark-β法求解离散方程。通过在立管的动力方程中引入δ函数来体现浮式平台对立管的惯性和水动力影响,将悬链线立管与浮式平台作为一个整体进行动力分析,以工程中实际使用的1800m水深的钢悬链线立管为例,通过对立管顶部进行谐波激励,分别就水动力系数、管内流体密度和海床土体刚度对立管特征点动力分析的影响进行分析,研究表明：水动力系数的改变对立管触地点的动力响应的影响较为显著,主要体现在弯矩和张力幅值的增加;管内流体密度不同,触地点位置不同,表明立管在输送不同液体或气体可能发生疲劳破坏的位置也不同;而海床土刚度对立管触地点区域的弯曲应力影响较大,对轴向应力则影响不大,其结果对SCR设计具有重要的指导意义。     

考虑水-力耦合时交通隧道非线性解析

将具有衬砌的圆形隧道各影响因素简化为轴对称问题。考虑水-力耦合、外水压力作用及Hoek-Brown 强度准则,求得交通隧道弹塑性非线性解析解。利用数值方法研究各参数对考虑水-力耦合非线性解的影响,分析结果表明：考虑水-力耦合时,应力场、位移场和塑性区半径均较不考虑耦合因素时大,因此隧道开挖时应充分考虑水-力耦合作用。实例分析表明：随着m_i 的增大,应力和塑性区半径均随之增加,塑性区半径与参数m_i 为非线性递增关系。     

油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应

海洋立管是海上油气集输系统的重要组成部分，用于连接海底油气井口与海上油气集输站。在油气储运工程中，海洋油气集输介质多为油气水三相流体。为了研究油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下产生的耦合振动问题，进行了数值计算与实证研究。基于多相流体力学与动力学理论，构建了油气水三相严重段塞流模型和海洋立管结构动力学模型，结合这2个模型，模拟了立管耦合振动响应过程，并设计了下倾管倾斜角度为3°的L型油气水三相流立管系统进行实验。对模型计算值和实测值进行对比，结果表明：所提出的耦合振动响应模型比现有严重段塞流瞬态数学模型更适用于油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应问题的研究，计算结果与实验结果较吻合；立管底部压强与底部位移呈周期性变化，且变化周期基本一致；流体压强是引发立管系统耦合振动响应问题的关键因素。研究结果为油气水三相流海洋立管系统在严重段塞流作用下的耦合振动响应特性分析及其结构设计提供了参考。     

随机荷载下陡波形立管的非线性动力分析EI北大核心CSCD

对陡波形立管在随机荷载作用下的非线性动力响应进行了数值分析。考虑内部流体,基于柔性杆理论建立了陡波形立管(SWR)的数值模型,采用Newmark-β法求解立管动力响应,利用MATLAB软件编写相应计算程序DRSWR,将DRSWR的计算结果与OrcaFlex进行对比验证,然后对陡波形立管在随机波浪、顶部浮体随机运动共同激励下的应力响应进行了参数敏感性分析。结果表明:浮子段应力水平、应力变化幅值最高;应力极值点为拱弯点和垂弯点;大波高、低周期的波浪会导致立管整体应力水平急剧升高;平均静偏移增大导致立管应力极值减小;大幅高频的慢漂运动会使悬挂点应力显著增大;高密度、高流速内部流体会使陡波形立管处于高应力状态。     

海洋输液立管涡激振动响应及其疲劳寿命研究

以FrancisBiolley改进的vanderPol尾流振子模型为基础,考虑管内流动流体和管外海洋环境荷载共同作用,建立了海洋立管涡激振动微分方程,用Hermit插值函数对立管微分方程进行离散,并用Miner理论对立管的疲劳寿命进行分析,通过编程和实例计算,分析了管内流速对涡激响应幅值和疲劳寿命的影响。结果表明,当管内流体流速变化使立管的固有频率接近漩涡脱落频率时,立管涡激振动响应将会增大,疲劳寿命将会显著减少。     

充气薄膜管气-膜耦合作用的有限元分析

充气薄膜管通过内充气压获得刚度和承载力.荷载作用下的变形会导致内充气压改变,进而引起结构刚度的变化,体现为内充气体与外围薄膜耦合作用.该文采用有限元方法对充气薄膜管的气-膜耦合作用及其随影响因素的变化规律进行数值分析.通过将内充气体等效为小扰动线性有势流体以考虑内充气体与外围薄膜的耦合作用;通过将有限元分析结果与相应的...     

考虑风热耦合作用特大型冷却塔内吸力及流场作用机理研究

已有关于冷却塔内吸力取值的研究均忽略了周边散热器产生的热源影响,以国内在建世界最高220 m特大型间接空冷塔为对象,基于计算流体动力学方法对风热耦合作用下的塔筒内部流场进行数值模拟。在此基础上,对比分析了考虑风热耦合效应特大型冷却塔内表面风荷载的三维效应,归纳总结了内压系数沿子午向和环向的分布规律,探讨了考虑温度场后塔内流场特性、压力系数、阻力系数及风阻的差异及产生原因,最后给出了风热耦合作用下特大型冷却塔内吸力的取值建议。结果表明：考虑风热耦合作用后冷却塔内压系数取值增大,同时阻力系数取值及进出风口压差增大。研究建议此类特大型冷却塔在真实风热耦合环境下内压系数取为-0.43。     

空间充气展开支撑管的自振特性研究

充气薄膜管通过内充气压获得刚度和承载力。荷载作用下的变形会导致内充气压改变,进而引起结构刚度的变化,体现为内充气体与外围薄膜耦合作用。该文采用有限元方法对充气薄膜管的气-膜耦合作用及其随影响因素的变化规律进行数值分析。通过将内充气体等效为小扰动线性有势流体以考虑内充气体与外围薄膜的耦合作用;通过将有限元分析结果与相应的试验结果进行对比,验证考虑气-膜耦合作用有限元模型的正确性和精确性;通过将分析结果与内充气体被等效为外围薄膜静力边界条件情况下的计算结果进行对比,研究气-膜耦合作用对充气薄膜管褶皱临界荷载和极限承载力的影响及其随初始内压、长细比、端部约束类型以及轴向荷载的变化情况。研究结果表明,气-膜耦合作用对褶皱临界荷载和极限承载力具有重要影响,且呈现非单调变化的特点,在影响因素的变化范围内,出现极大值或(和)极小值。该文的研究成果揭示了充气薄膜管的气-膜耦合作用规律,有助于深入认识充气薄膜管的力学行为,确保空间充气薄膜结构设计计算的可靠性。     

钢悬链式立管出平面涡激振动模态分析及试验验证

钢悬链式立管是目前应用最为广泛的一种深水立管形式,基于现有的钢悬链式立管出平面运动理论,提出了一个钢悬链式立管出平面涡激振动模型。该模型实现了钢悬链式立管涡激振动与刚体转动的耦合。基于该模型在CABLE3D基础上二次开发分析程序CABLE3D_Rotation模拟立管的出平面涡激振动。分析发现,考虑流固耦合作用的立管出平面涡激振动为一变频变幅的随机振动,对立管中下部响应影响较大,在立管动力分析中不应忽略。随后通过试验证明了钢悬链式立管动力响应中存在刚体转动模态,验证了提出的考虑流固耦合的非线性刚体转动模型的准确性。     

深海立管顺流与横流耦合涡激振动中的内流效应分析EI北大核心CSCD

深海立管因长径比大幅增加导致柔性增强、内流效应凸显,其在顺流和横流耦合涡激振动中的内流效应尚未得到很好理解。采用半经验时域涡激振动水动力模型,建立深海立管在均匀洋流下的横向和纵向耦合振动方程,并利用有限元法求解,探究不同内流速度、内流密度和洋流下立管在顺流和横流耦合涡激振动中的内流效应。研究发现,当洋流速度和内流密度一定时:①内流效应可使系统固有频率降低,因此随着内流速度增加,顺流和横流涡激主导频率可能脱离激励区,主导模态转移到高阶,同时主导频率发生阶跃增加;②立管横向位移均方根最大值是增加还是减少取决于横向涡激主导频率是接近还是远离涡脱频率;③当横流向涡激振动主导模态不变时,由于内流效应可以降低系统刚度,顺流向的静态位移随着内流速度的增加而逐步增加,当横流向主导模态转移至高阶时,顺流向的拖曳力系数会发生突然减少导致静态位移呈现阶跃性下降;④内流效应对顺流向振动有着不可忽略的影响。立管顺流向振动响应是内流效应、拖曳力(受横流向涡激响应影响)和顺流向涡激流体力联合作用的结果。     

变速车辆作用下拱桥吊杆的动态内力分析

中下承式拱桥的吊杆是重要的承重构件,同时也是最易发生破坏的构件。车辆荷载与桥梁结构的动力耦合作用,使吊杆在交变应力作用下发生疲劳损伤是吊杆破坏的重要原因。基于大型钢管混凝土拱桥结构,考虑路面不平度影响,采用三维多自由度车辆模型,进行变速车辆的车桥耦合模拟。重点针对变速车辆荷载对吊杆产生的轴向和弯曲作用进行了分析,讨论了吊杆截面不均匀分布的交变应力情况。结果表明,车辆的加速度将显著增大车辆对桥梁的冲击作用;短吊杆截面弯矩受车辆速度、加速度和路面不平度影响明显,通常横向弯矩大于纵向弯矩;车辆荷载导致的吊杆截面内动态应力分布具有显著的不均匀性,最大应力是最小应力的2倍,弯曲应力占比近30%。这些因素在这类桥梁的设计、维护、监测与评价中应予重视。     

深海顶张力立管参激-涡激耦合振动响应分析

该文研究顶张力立管参激-涡激耦合振动计算方法和动力特性。考虑立管顶端动边界条件,建立顶张力立管模型,研究其在剪切流中的涡激振动响应和参激-涡激耦合振动响应。提出立管的动力响应分析方法,分析参数激励对立管横向涡激振动的影响。结果表明,立管的横向振动响应频率存在0.5倍参激亚谐成分,参数激励对于立管横向振动具有重要影响。     

地震作用下曲线梁桥非均匀碰撞效应研究

曲线梁桥在地震作用下产生的不规则平面旋转位移使得应用碰撞单元法计算曲线梁体碰撞效应存在一定的局限性,为了探讨曲线梁桥地震碰撞效应的非均匀分布规律,提出了采用显式动力接触算法计算曲线梁桥地震碰撞效应的数值模拟方法,并分析曲线连续梁桥碰撞效应引起的主梁、挡块和桥墩的冲击地震反应特点。结果表明,主梁与桥台胸墙的碰撞作用限制了主梁的切向位移,使得固定墩墩底弯矩小于不考虑碰撞时的墩底弯矩。碰撞后梁端截面顶板正应力和曲线内外侧挡块径向应力的分布严重不均匀,梁端截面悬臂翼缘的正应力明显小于腹板间顶板的正应力,曲线外侧挡块的径向应力显著大于内侧挡块的径向应力。地震碰撞作用使得主梁的最大拉应力和压应力通常会发生在梁体曲线的内外侧。这为合理解释曲线连续梁桥在强震下的碰撞破坏震害现象提供了理论指导。     

基于小波变换的顶张力立管涡激振动规律实验研究

为研究顶张力立管在海流作用下的涡激振动规律,在大型波浪流水槽中进行涡激振动模型实验。实验中立管竖直固定于实验支架上,外部承受不同速度的流体作用,上端施加变化的顶张力。立管模型上均匀布置六个测点,根据每个测点布置的两个应变计,分别测得来流向和横向两个方向振动响应。通过小波变换方法对实验数据进行时间频域分析,得到立管涡激振动频率和振动幅值以及来流向与横向的耦合振动规律,考察顶张力变化对立管自振频率以及涡激振动的影响。