海洋柔性管道骨架层压溃的有限元分析

针对海洋柔性管道互锁型骨架层由于外部静水压力可能引起压溃失效问题,文中基于有限元分析方法,采用实体单元,建立骨架层结构三维有限元模型,研究静水外压作用下骨架层的压溃行为.分析结果显示,当不考虑几何缺陷及材料非线性时,计算得到的压溃特征值与解析方法得到结果吻合良好;当模型考虑初始椭圆度缺陷时,压力位移曲线经过一段线性变化过程后快速趋近于临界压溃值,且随着初始椭圆度的增大,临界压溃值逐渐减小;当模型进一步引入材料非线性时,骨架层的抗压溃能力显著下降,临界压溃值比理想状态下减小近一半.数值模型与结果为柔性管道抗压溃分析设计提供了有效的技术手段.     

外压作用下深海腐蚀缺陷管道的屈曲失稳机理

为了研究外压作用下深海腐蚀缺陷管道的屈曲失稳机理,通过深海压力舱小比例模型试验,测得钢管试件发生屈曲失稳时的压力和变形形态. 利用有限元软件ABAQUS建立管道的三维数值模型,模拟外压作用下完好无损管道和腐蚀缺陷管道的准静态屈曲失稳过程,得到钢管的压力-直径变化曲线和变形形态,与试验结果吻合良好. 采用建立的数值模拟方法,分析管道长度、径厚比、初始椭圆率、钢材等级、钢材应变硬化特性和缺陷几何尺寸等因素对腐蚀缺陷管道屈曲失稳的影响. 结果表明,初始椭圆率、缺陷几何尺寸、钢材应变硬化特性是深海腐蚀缺陷管道标准化后失稳压力的主要影响因素,管道长度、径厚比、钢材等级对标准化后失稳压力的影响相对较小.     

海底管道在刚性扣入式止屈器中的屈曲传播理论研究

为了从理论上研究海底管道在扣入式止屈器中的屈曲传播问题,建立了二维管道环模型,并运用非线性离散弹簧模型来模拟管道内壁以及管道外壁与止屈器内壁之间的接触作用。理论模型中考虑了结构的非线性几何大变形和弹塑性本构关系,利用虚功原理建立了平衡方程,计算研究了海底管道在刚性扣入式止屈器中屈曲传播时的外压-截面积变化规律,然后基于Maxwell能量平衡法确定了扣入式止屈器的穿越压力下限。通过将理论计算结果与全比例管道试验和有限元数值模拟进行对比,证明了该理论方法的正确性,本理论模型为进一步研究三维管道模型的屈曲传播和止屈机理奠定了基础。     

铝合金保险杠准静态压溃仿真与试验

介绍了用显示求解方法进行准静态压溃加速模拟的理论基础。应用LS-DYNA软件对铝合金保险杠进行准静态压溃仿真分析,试验结果与仿真结果吻合较好,验证了铝合金保险杠有限元模型和材料模型的正确性,为进一步对铝合金保险杠结构进行优化设计奠定了基础。试验结果和仿真结果都表明:此铝合金保险杠横梁刚度较好。     

用压溃理论分析方钢管砼偏压构件

本文依据方钢管砼轴压短柱所表现出来的性能,参照焊接方钢管的实测残余应力分布规律,讨论了压溃理论在方钢管砼偏压构件中的应用问题,并具体用压溃理论对偏压短柱、偏压中长柱进行了大量计算,利用计算结果统计整理出了偏压短柱的强度计算公式和偏压中长柱的稳定计算公式,可用于实际工程设计.     

基于CT成像的冠状动脉搭桥血管的流固耦合分析

针对冠状动脉旁路再狭窄重建个性化血管模型,通过计算流体力学方法研究血管几何模型和弹性血管壁对血流动力学特性变化导致的冠脉搭桥血管再狭窄的影响.根据冠状动脉搭桥手术患者的原始CT数据,导入到MIMICS软件中构造出冠状动脉移植血管的三维表面模型,并生成血管壁NURBS曲面模型,进而建立血管壁/血液耦合模型,采用有限元方法在ANSYS Mechanical和CFX两个模块的基础上,通过专用的流固耦合算法实现弹性血管壁和血液的双向耦合计算,在给定脉冲压条件下模拟出弹性管壁和刚性壁面的壁剪应力分布和变形情况,并且进行比较.研究结果表明:个性化模型的最大壁面剪应力和位移要高于CAD简化模型,而且2模型中最大位移发生的位置也完全不同;流固耦合模型的最大壁面剪应力和位移均低于刚性血管壁模型.计算结果可为临床上冠脉再狭窄的诊断提供更加合理的数据参考.     

爆轰波进入不可燃突扩管道行为研究

对爆轰波进入不可燃突扩管道后的传播规律及压力分布进行实验研究、数值模拟和理论分析.实验结果显示,爆轰波进入突扩管道一定距离后管道内压力会突升,随后压力曲线趋于平缓,在靠近封闭端面附近的压力又再次升高.采用自适应有限体积程序结合基元化学反应模型对流场进行了数值模拟.结果表明,爆轰波进入不可燃突扩管道后,化学反应停止,爆轰波衰减为激波.由于管道横截面的突然增大,激波在扩张段入口处发生绕射,平面波阵面逐渐演变为球面波阵面.该球面波阵面在向前传播的过程中与空腔上壁面先后发生规则反射和马赫反射.在发生马赫反射的位置,激波波后压力急剧升高.随马赫杆渐增,球面波阵面逐渐被抹平,最终再次形成平面激波.该平面激波到达封闭端面后又将发生反射,造成靠近封闭端面处的压力上升.     

静水压环境下岩石动态压剪耦合力学响应与本构模型

静水压环境是深部岩石的典型应力赋存状态,并且岩石内存在多尺度的结构面,易遭受压剪耦合的复杂动力扰动。因此,探究静水压环境下岩石动态压剪耦合力学响应及损伤本构模型对于深部岩石结构安全评估和动力灾害防控极为重要。本文应用霍普金森压杆试验装置,对倾斜砂岩试样进行动态压剪耦合试验,揭示静水围压、动态荷载压剪耦合比及加载率对岩石力学特性的影响规律;基于Drucker–Prager准则和Weibull分布,建立静水压环境下深部岩石动态压剪耦合损伤本构模型。结果表明：1）岩石动态强度及变形模量随着加载率及静水围压的增大呈增加趋势,强度的围压效应及加载率效应明显,动态荷载中的剪切分量能削减岩石承载能力并提升岩石的变形能力。2）随着动态荷载剪压比和静水围压的增加,岩石冲击破坏模式由拉伸主导的内部锥形破裂面及表面劈裂转变为剪切主导的单一平面破坏;动态荷载中的剪切分量对静水围压作用下岩石的动态破碎存在明显的限制作用。3）采用极值解析法推导了模型分布参数F0和m的解析表达式,探究了模型分布参数F0、m和损伤修正系数q的物理意义及其对本构模型的影响规律;同时,对比不同工况下试验和理论应力应变曲线,验证了该模型的...     

基于数值仿真的膨胀式压溃管阻抗性能研究

为了研究膨胀式压溃管阻抗性能,进行了数值仿真与实物试验对比,验证了数值仿真方法的有效性,并总结了两种研究方法的差异点.基于数值仿真软件平台并运用ALE自适应算法研究了压溃管装置诱导锥面角、壁厚和直径等主要设计参数对膨胀式压溃管阻抗力的影响关系.结合实际压溃管装置的性能特性,提出实际生产中通过控制压溃管装置参数来实现快速设计开发的方法.研究结果表明:当诱导面的锥角在15°～45°之间时,角度越大,压溃管的阻抗力越大;壁厚增大时,压溃管的阻抗力增大;直径对压溃管阻抗力的影响很小.压溃管设计时,应先根据安装空间尺寸确定压溃管直径,再通过控制变量,以壁厚作为粗筛条件进行仿真来确定壁厚范围,最后根据性能需求对诱导锥面角等参数进行匹配性仿真优化和最终设计.     

雷电冲击作用下土体的变形特性分析

为研究雷电冲击作用下土体的变形特性,应用冲击波理论描述雷电冲击压力,基于麦克斯韦方程推导雷电在土中产生的电磁力表达式,采用Drucker-Prager弹塑性准则,建立雷电冲击压力和电磁力作用下的土体动态变形特性有限元模型,通过瞬态计算深入探究雷击过程中土体的变形特性,并结合土中应力分布特征对变形进行动力分析,采用正交分析法研究土体力学参数对模型结果的影响以及主次因素排序,分析主要因素和雷电流峰值对模型结果的影响规律。结果表明：一定雷电冲击作用下,土体变形呈先急剧增加而后变形速率逐渐减缓,经过部分回弹后再趋于稳定,在此过程中,土中应力变化动态规律与应力波传播规律类似;土体内摩擦角和弹性模量对土体变形的影响相对较为显著,参数较小时将造成明显的变形增加,且内摩擦角的改变将影响表面土体竖向变形曲线分布规律;此外,随着雷电流峰值的增大,电磁力对土体变形的影响程度显著提升。     

螺母垫圈对螺栓法兰接头应力分布影响的有限元分析

建立螺栓法兰垫片整体的有限元模型,进行了DN500螺栓法兰连接系统的紧固实验,验证了有限元模型的合理性。通过控制螺母垫圈宽度及管道介质压力,对比分析了螺母垫圈对垫片及螺栓上应力分布的影响。结果表明,加合理尺寸的螺母垫圈不仅可以增加螺母与法兰面的接触面积,提高垫片上的压应力,而且在螺栓预紧载荷及介质压力高的情况下,可以防止螺栓的弯曲变形及垫片的圧溃失效,提高螺栓的使用寿命,改善螺栓法兰连接系统整体的密封性能。     

海底管线周围海床的地震液化分析

地震荷载作用下海床液化是海底管线失稳的主要原因之一.本文建立了地震荷载作用下海底管线周围海床液化的有限元模型,采用土工静力-动力液压三轴-扭剪多功能剪切仪,将不排水循环扭剪试验条件下得到的孔隙水压力增长模式引入到二维动力固结方程中,基于有限元方法对推广的固结方程进行数值求解,得到了地震荷载作用下海床中累积孔隙水压力的发展过程与变化规律.通过变动参数计算了海床土性参数和管线几何尺寸对由地震所引起的管线周围海床中累积孔隙水压力分布的影响,进一步对管线周围海床的液化势进行了评判.     

滑坡碎屑流纵向作用下埋地管道变形分布预测

为保证滑坡碎屑流作用下埋地燃气管道安全运行,基于热-弹塑性理论,采用管-土耦合方法建立了管-土变形分析模型,模拟分析了埋地天然气管道的轴向应变分布规律。基于埋地天然气管道应变分布特征,通过非线性拟合方法,确定了管道轴向应变分布预测模型。研究结果表明：滑坡碎屑流作用下土壤变形区域主要为碎屑流作用区及其附近区域,滑坡碎屑流前部区域土壤变形明显大于后部区域;管道主要为弯曲变形,管土之间变形并不同步,土壤变形明显大于管道变形;在各个路径上,管道既存在拉应变,又存在压应变,而滑坡碎屑流作用区域,在管道底部和顶部路径上分别取得轴向拉压应变极值;碎屑流宽度、厚度对管道应变分布范围影响有限,应变分布范围随着碎屑流长度增加显著扩张,其中碎屑流影响区域范围是碎屑流作用区长度的3倍左右;而管道应变分布预测模型仅与μ、σ、a₁参数相关,仅需3个位置的轴向拉压应变数据,即可确定该区域管段轴向拉压应变分布。上述研究成果将为管道滑坡灾害下管道应变分布的确定提供重要理论依据。     

内压力对内高压成形三通管影响的数值分析

以内高压成形三通管过程中最大内压的影响为研究目标,采用有限元分析软件MSC.Marc对成形零件的基本变形特征和壁厚分布规律进行了分析.给出了不同最大内压力下零件的壁厚分布规律,并就最大压力对成形的影响进行了讨论.分析表明,最大内压的选取对内高压成形三通管有重要的影响.对成形文中三通管,75-90 MPa的最大压力值是成形的合理范围.     

粉砂土及其加筋土大三轴剪切试验及结果分析

加筋复合体中，土工格栅的作用相当于给土体施加等效围压．在有限元计算中，可以用等效围压代替格栅的作用，加在土单元上，模拟筋材本身的单元并不出现．等效围压值的大小取决于筋材的变形．通过试验分析表明，当周围压力较大时，筋土同步变形，等效围压值容易确定，而周围压力小时，筋土不能同步变形，等效围压值难以确定．在有限元计算中，应注意此问题。     

埋地不同压力管道泄漏的数值模拟

利用有限容积法建立埋地输油管道周围土壤多孔介质的三维流固耦合数学模型, 借助F LUENT软 件, 模拟了不同压力的埋地管道泄漏前后管道周围大地温度场的变化情况及油品在地下、 地表的扩散情况。模拟结 果表明, 泄漏前不同压力的管道周围温度场分布相同; 泄漏后不同压力的管道周围温度场变化缓慢, 管道压力越大, 温度场变化越明显; 当管道压力变为原来压力的2倍时, 油品在地下的扩散量比原扩散量的2倍稍小一些。     

多孔材料对隧道气动效应影响的数值模拟

为了开发能降低隧道出口微压波的吸音材料,对多孔材料隧道壁面降低压缩波和出口微压波的效果进行了详细的数值模拟;采用三维可压缩非定常流动模型,通过有限体积法对三维Navier-stokes方程进行离散;对隧道壁面采用近壁面函数来处理,时间采用预处理二阶精度步后差分格式进行离散．另外,采用隧道内压缩波传播的一维模型对波前变形的基本方程进行简略推导,研究多孔材料隧道壁面吸声的机理,以便将来开发更好的多孔材料．     

多孔材料对隧道气动效应影响的数值模拟

为了开发能降低隧道出口微压波的吸音材料,对多孔材料隧道壁面降低压缩波和出口微压波的效果进行了详细的数值模拟;采用三维可压缩非定常流动模型,通过有限体积法对三维Navier-stokes方程进行离散;对隧道壁面采用近壁面函数来处理,时间采用预处理二阶精度步后差分格式进行离散.另外,采用隧道内压缩波传播的一维模型对波前变形的基本方程进行简略推导,研究多孔材料隧道壁面吸声的机理,以便将来开发更好的多孔材料.     

真空电阻凸焊温度场有限元分析

凸焊过程中凸焊筋的温度分布直接影响凸焊筋的压溃过程,从而影响最终的焊接质量.基于ANSYS 有限元分析软件,建立了用于真空电阻凸焊瞬态热过程分析的电热耦合有限元模型,分析了真空电阻凸焊的热电耦合过程,得到了焊接过程的热历程以及焊件各部位的温度分布,分析中考虑了随温度变化的材料特性参数、相变问题等.在此基础上分析了不同凸焊筋距离的双凸焊筋结构的温度场分布,得出凸焊筋距离对温度场分布的影响,为MEMS元件凸焊封装外壳的优化设计提供理论依据.     

真空电阻凸焊温度场有限元分析

凸焊过程中凸焊筋的温度分布直接影响凸焊筋的压溃过程,从而影响最终的焊接质量．基于ANSYS有限元分析软件,建立了用于真空电阻凸焊瞬态热过程分析的电热耦合有限元模型,分析了真空电阻凸焊的热电耦合过程,得到了焊接过程的热历程以及焊件各部位的温度分布,分析中考虑了随温度变化的材料特性参数、相变问题等．在此基础上分析了不同凸焊筋距离的双凸焊筋结构的温度场分布,得出凸焊筋距离对温度场分布的影响,为MEMS元件凸焊封装外壳的优化设计提供理论依据．