弯曲载荷下管道环焊缝裂纹应力强度因子评价模型及试验验证

裂纹缺陷是众多环焊缝缺陷中危险性最大的缺陷之一。油气管道在经过地质条件较差的区域时，当遭遇自然灾害，管道除内压作用外，还会承受额外的弯曲载荷，由此引起的大跨度管道弯曲变形容易引起环焊缝裂纹扩展，导致管道破裂。基于大量环焊缝裂纹有限元数据，拟合出了裂纹尖端应力强度因子的工程评估公式。按照子模型分析方法可以快速获得有限元结果数据且能保证精度，是一种高效获取全尺寸弯曲管道中裂纹应力强度因子拟合数据的方法。结合API 579中提供的环向裂纹应力强度因子理论公式，对应力强度因子计算公式进行了拟合，裂纹尺寸范围为0.03   

基于流固耦合的管道机器人清淤装置外载荷参数优化

为验证管道机器人清淤装置的清淤能力,应用流固耦合和参数优化的方法,在刚度和强度约束条件下,对结构的许用载荷进行分析。建立管道机器人模型并进行简化,导入到ANSYS中并划分六面体网格,首先将模型进行流固耦合下的强度仿真,验证了流体对清淤装置的强度影响很小; 然后进入结构分析模块,应用参数优化的方法,以刮刀端部锥面受到轴向和切向外载荷为目标函数,以应力与应变为约束条件进行参数设置,对清淤装置的刮刀、扇形盘以及整体进行仿真计算; 得到目标函数与约束条件的关系曲线、轴向与切向可行域曲线。研究结果表明,流体对结构的强度影响极小; 轴向力许用范围0～5 000 N,切向力许用范围0～3 500 N,外载荷的可行域为研究清淤装置的清淤能力,以及过载保护系统具有指导性意义。     

自增强厚壁圆筒双线性理论模型及试验研究

本文根据自增强圆筒材料的实际特点,建立了自增强筒体加载,卸载都为线性应变强化的双线性理论模型;推导出了自增强厚壁圆筒塑性区应力应变的本构关系式;建立了计算BEF的简化模型;推导出了自增强筒体应力、应变及BEF影响的计算公式。通过实验,证明了这些公式的正确。     

管道不可压缩流体泄漏量与压力变化的关系研究

实际工程中,大多数的石油运输管道只允许安装压力传感器检测泄漏情况,流量计仅安装在收费口处,而且对于不可压缩流体无法通过临界压力条件计算泄漏量。基于应力应变公式,通过研究管道的微元体受压时管壁的径向位移与管内压强的关系,得出管道体积随管道压力的应变响应。以管道容积膨胀的改变量表征管道中不可压缩流体的泄漏量,得到不可压缩流体的泄漏量计算模型。建立管道受压膨胀的COMSOL模型进行仿真验证,仿真结果和推导公式均表明管道的体积应变与管道压力呈二次抛物线关系,但当管道内压力变化不大时,二者之间可近似为线性关系。此外,建立实验平台得到了压力为0 MPa~0.8 MPa时的泄漏量,验证了不可压缩流体与压力变化之间的线性关系。理论和实验结果为管道内不可压缩流体泄漏量的计算提供了理论依据。     

移动手臂对机器人越障性能影响及运动规划

工作在废墟中的搜救机器人应具有一定的越障能力.由于质心决定越障稳定性和成功性,故提出基于质心坐标公式和机器人运动学的质心运动学模型,通过此模型可获取机器人在越障过程中质心变化情况,分析移动手臂姿态对跨越壕沟的影响,并得到最优跨越壕沟的初始和最终位置和速度.由于移动手臂的动态特性影响机器人越障稳定性,故通过建立的其动力学模型和零力矩点(Zero moment point,ZMP)稳定判据,分析移动手臂动态特性对跨越障碍的影响,并规划出最优加速度.最后通过试验验证了分析结果及动作规划的正确性.     

液压式冷再生机后桥有限元分析

冷再生机后桥由焊接结构和连接轴组成,通过传统力学很难计算出后桥主要支撑部位的应力大小,因此将后桥三维模型导入ANSYS workbench中,对模型进行静力学有限元分析.为避免较大的焊缝对分析结果产生的影响,在workbench中对对模型的焊缝进行预先处理.应力、应变云图表明:后桥主要支撑部位未出现较大应力和应变,刚度...     

管道不可压缩流体泄漏量与压力变化的关系研究（英文）

实际工程中,大多数的石油运输管道只允许安装压力传感器检测泄漏情况,流量计仅安装在收费口处,而且对于不可压缩流体无法通过临界压力条件计算泄漏量。基于应力应变公式,通过研究管道的微元体受压时管壁的径向位移与管内压强的关系,得出管道体积随管道压力的应变响应。以管道容积膨胀的改变量表征管道中不可压缩流体的泄漏量,得到不可压缩流体的泄漏量计算模型。建立管道受压膨胀的COMSOL模型进行仿真验证,仿真结果和推导公式均表明:管道的体积应变与管道压力呈二次抛物线关系,但当管道内压力变化不大时,二者之间可近似为线性关系。此外,建立实验平台得到了压力为0 MPa～0.8 MPa时的泄漏量,验证了不可压缩流体与压力变化之间的线性关系。理论和实验结果为管道内不可压缩流体泄漏量的计算提供了理论依据。     

液体环境下管道机器人系统设计与分析

针对当前管道维护中存在的检修困难,效率低下等问题及液体环境下对管道无损检修的需求,设计了一种依靠特殊支撑装置抓紧管内壁,并通过对称安装的电动机或喷水推进器实现管道内往复运动的管道机器人。该型管道机器人采用模块化内部设计保证了设备的合理分配并很好地控制了机器人的整体尺寸;采用STC15系列单片机进行编程控制,通过携带的图像传感装置实时将管道内部图像发送至管外显示器,并能通过遥控手柄或手机软件平台操控机器人的运动。该型管道机器人系统可在不妨碍管道正常输送液体的情况下对管内进行无损检测,极大地提高了管道检修效率,为当前液体环境下管道机器人的研究提供相应的参考。     

高压聚乙烯反应管自增强残余应力的无损检测

针对超高压聚乙烯反应管内径小,壁厚大,内部介质压力为超高压等特点,。开发出一套管内壁应变片粘贴装置和引线密封装置,从而保证了内压达550MPa以上时应变片及引线的密封与绝缘性,基于内壁应变－压力关系曲线与残余应力之间的对应关系,成功地测取了反应管内壁残余应力。本方法可推广应用于小管径管道内壁应变和自增强残余应力的测试。     

核级管道不锈钢316LN的低周疲劳特性研究

在室温下,对核级管道不锈钢材料316LN试样进行了不同应变幅的低周疲劳试验研究,得到了316LN试样的循环应力-应变响应特征及低周疲劳寿命曲线。基于疲劳过程中、不同应变幅水平下,循环应力-应变迟滞回线的试验结果,分析了应力峰值、谷值和循环弹性模量随疲劳循环数的变化规律,研究了316LN试样的疲劳特性和疲劳寿命曲线特征,并与ASME疲劳设计曲线进行了对比。试验结果表明,试样初始循环表现出循环硬化,随后表现出循环软化直至失效;初始前10%疲劳寿命期内循环弹性模量缓慢下降,然后几乎保持不变,在达到80%～90%寿命后开始下降; Basquin和Manson-Coffin公式可以很好地描述0. 2%～0. 7%应变幅范围内的应变-疲劳寿命曲线。     

管道机器人清淤装置设计与动力特性研究

为疏通城市排污管道,设计一种新型管道清淤机器人,为证明其清淤作业的稳定性和可行性,对清淤装置进行了动力学特性研究。建立该管道机器人三维模型,对其清淤装置进行原理分析; 对清淤盘模型进行运动学建模与仿真,并将MATLAB运动仿真曲线与ADAMS运动仿真曲线进行拟合,验证运动方程的正确性; 建立清淤盘动力学数学模型,并基于ADAMS 软件进行仿真,研究动力学正、逆问题,得到扇形盘的运动曲线和受力曲线。结果表明,运动方式和运动规律满足清淤方式为刮削—搅拌—过滤—推进—四位一体的清淤作业要求,动态性能稳定。     

运载火箭自动加注机器人结构设计及有限元分析

针对运载火箭推进剂加注自动化过程的实现,设计了一种能够与箭体连接头自动对接与脱离的加注机器人。该机器人以管道机械臂作为机器人本体,配合激光雷达实现自动定位与跟踪。机械臂既是机器人定位跟踪的载体也是推进剂加注管道,加泄连接器安装在机械臂末端,作为与箭体连接头对接的机械载体。利用建模软件建立机器人三维实体模型,将模型简化后导入SolidWorks Simulation进行有限元分析,得到了其应力云图以及变形位移图,通过分析验证了机构设计的可靠性和合理性。     

Statistical modeling of the remaining life of a section of a main gas pipeline by low-cycle loading

On the basis of a deterministic formula, by the Monte Carlo method, the distribution of the remaining life of a gas pipeline according to the criterion of low-cycle fatigue is found in the form of a nonlinear function of 12 random arguments under the condition that strength characteristics of pipes, stress characteristics, strain amplitudes, and section sizes are normally distributed. Based on these data, a probabilistic forecast is made of the remaining reliability indices of those pipeline sections where means of nondestructive testing of operability are unavailable.     

双盘叶片轮水泥抹光装置结构设计

基于库伦摩擦定律,设计并建立了双盘叶片轮水泥抹光装置的三维模型,通过有限元软件Workbench对其进行静力学分析和模态分析,获得双盘叶片轮水泥抹光装置的整体应力云图、整体应变云图及前六阶固有频率和相应振型。结果显示:应力主要集中在与叶片轮相连接的主轴处、主轴和摆动装置连接的轴承箱处以及支撑轴处,最大应力集中在靠近伺服电机侧的配电箱中心处,最大值为59.534 MPa,远小于材料屈服强度235 MPa;水泥抹光装置工作频率在31.510、62.957和140.870 Hz时振幅最大。在此基础上,完成样机制作并进行了测试,样机实现了边行走边抹光功能,为后续结构优化提供了理论依据。     

管道爬行机器人结构研究

设计了管道爬行机器人，其采用伸缩式伞形结构，可适应大范围内径变化的管道要求。采用吊篮可始终保持摄像装置与水平面平行，控制机身电机实现机腿的伸缩，使其能顺利通过十字型和丁字型等较复杂的管道，是一种实用有效的管道维修和维护探测装置。     

管道封堵气囊结构设计与密封性能研究

为实现石油和天然气管道的快速封堵,设计一款可用于管道快速封堵和导流的机器人以及充气膨胀性的封堵装置。该封堵装置由气囊和导通管组成,气囊充气膨胀后挤压管道的内壁和导通管的外壁,从而构成一个密封区域,使液体不会从管道裂缝中泄漏,而是从中间导通管流过,实现封堵和导流功能。设计4种不同结构的气囊模型,研究其在不同压力下的最大von Mises应力和接触应力分布。结果表明,气囊外部与管壁接触边的倒角为直角,气囊内部为圆形中空结构时,气囊的接触应力最大,接触密封效果最好,同时应力也最小,承压能力最强。     

基于旋翼负压混合吸附的爬壁清洗机器人系统动力学性能研究

针对爬壁清洗机器人越障时,负压装置的吸附力下降导致吸附不稳定的问题,设计了一种旋翼负压混合吸附工作的多边形履带清洗机器人,并对爬行稳定性及越障性能进行了动力学分析。首先根据机器人爬壁的运动原理,建立机器人沿玻璃幕墙上的动力学模型,计算出电机理论驱动力矩;其次分析机器人在跨越障碍过程中的运动模型,结合与壁面接触的实际受力状态,对越障过程中关键阶段的本体倾翻、滑移两种失效形式进行运动学和动力学分析;然后根据玻璃幕墙实际的障碍高度,确定多边形履带的参数和理论驱动力矩的大小,并研制了实验样机进行爬行和越障试验,结果表明所设计的机器人具有良好的越障性能。     

介质压差驱动管道机器人速度调控装置的研究

鉴于流体管道裂纹检测的不易,对一种利用管道内流体介质来驱动的新型管道机器人进行研究。该机器人可根据管道传输介质的流速、压力及摩擦负载的变化,实时对管道机器人的行进速度进行调控;构建了一套电机驱动锥阀的新型管道机器人泄流调速装置,并对其调速机理进行了分析,推导出影响机器人行进速度稳定性的负载和通流面积之间的关系。介绍了以压差和速度为反馈环节的双闭环速度调控机理,为流体压差驱动管道机器人速度调节和控制提供了一套新的解决方案。     

Piezoelectric inertial robot for operating in small pipelines based on stick-slip mechanism: modeling and experiment

Small pipes exist in industrial and biomedical fields, and require microrobots with high operational precision and large load capacity to inspect or perform functional tasks. A piezoelectric inertial pipeline robot using a “stick-slip” mechanism was proposed to address this requirement. In this study, the driving principle of the proposed robot was analyzed, and the strategy of the design scheme was presented. A dynamics model of the stick-slip system was established by combining the dynamics model of the driving foot system and the LuGre friction model, and the simulation analysis of the effect of system parameters on the operating trajectory was performed. An experimental system was established to examine the output characteristics of the proposed robot. Experimental results show that the proposed pipeline robot with inertial stick-slip mechanism has a great load capacity of carrying 4.6 times (70 g) its own mass and high positioning accuracy. The speed of the pipeline robot can reach up to 3.5 mm/s (3 mm/s) in the forward (backward) direction, with a minimum step distance of 4 μm. Its potential application for fine operation in the pipe is exhibited by a demonstration of contactless transport.