掺氢天然气长距离管道输送安全关键技术与进展

利用天然气管输系统混输氢气，能实现氢气大规模、低成本、长距离输送，但掺氢混输带来更严峻的安全、技术挑战。本文围绕输送工艺及关键设备、管材相容性与寿命预测、泄漏监测检与风险评估、标准体系建设几项关键技术，探讨掺氢天然气长距离管道输送的安全问题。建议统筹规划输送网络，改进关键管输工艺与设备，建立输运协同应急与智慧决策大数据平台，制定掺氢天然气管道输送规范标准，逐步开展掺氢天然气输送技术应用示范。     

掺氢天然气管道完整性评价技术的进展与挑战

“双碳目标”背景下，我国积极推进掺氢天然气管道发展，本文总结了国内外掺氢天然气管道完整性评价方面的研究进展与挑战，得到主要结论如下。（1）现有金属材料相容性试验结论不明确，亟需制定国际统一的金属材料掺氢相容性试验标准；掺氢后管材、焊缝性能劣化规律不清晰，需系统地开展相关试验，揭示其氢损伤机理。（2）天然气管道非金属密封材料在氢环境中的密封性能及力学性能尚不明确，亟需开展相关试验以探索其性能规律；工程上缺乏高性能的非金属输氢管道，需研发低渗透耐侵蚀的输氢管材。（3）现有无损检测技术对掺氢后天然气管道的适用性研究不足，需改进或研发更高精度的无损检测工具以满足掺氢条件下对缺陷检测精度的要求。（4）掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法研究仍处于初级阶段，需要以丰富的试验数据为基础开展耦合考虑氢介质与应力状态的管材微观损伤本构研究，完善掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法。本文可为掺氢天然气管道安全保障相关研究提供参考。     

海洋能源开发装备中关键力学问题专题序

海洋中石油、天然气及风能、潮汐能等能源储量丰富, 海洋能源的开发是当今世界各国竞相开发的关键领域. 海洋能源的开发离不开一系列的先进工业装备, 我国依托“海洋油气资源勘探开发技术”和“深海关键技术和装备”等科技专项对海洋能源开发装备和技术进行了长期研发, 使得我国已经基本具备了海洋能源开发装备设计、生产、测试和应用的关键技术. 同时由于我国海洋能源开发装备的研究起步较晚, 其设计、制造、测试及应用的部分技术仍未能实现完全自主可控, 成为制约我国海洋能源开发的瓶颈, 其中蕴含了丰富的关键力学问题的挑战. 随着海洋强国战略的实施, 我国的科研院所、高等学校和相关企业等单位积极开展了针对海洋能源开发装备中关键力学问题的研究. 部分工作已经取得了丰硕的成果, 实现了海洋能源开发装备和技术的突破, 为我国海洋能源开发装备的自主可控研发与创新奠定了扎实的力学基础.      

海洋电缆中关键力学问题的研究进展与展望

海洋能源是当今世界各国竞相开发的关键领域. 海洋电缆是连接海洋能源生产系统各设施的能源传输、生产控制的关键装备之一, 被誉为海洋能源开发的“生命线”. 如何设计海洋电缆能够抵抗极端海洋灾害, 同时满足安装、服役中弯曲柔顺性的要求, 实现“刚柔并济”的结构性能, 是海洋能源开发领域亟待解决的核心难题. 本文围绕海洋电缆多构件、多层螺旋缠绕的结构特点, 全面总结了海洋电缆设计、分析及测试领域关键力学问题的研究进展. 首先, 针对海洋电缆结构的理论分析, 阐述了拉伸、扭转和弯曲刚度的基本理论以及拉扭耦合和非线性弯曲行为研究进展. 其次, 介绍了数值仿真方法在海洋电缆工程中的应用, 特别介绍了海洋电缆数值分析专业软件方面的研究成果. 再次, 探讨了海洋电缆多场耦合分析、结构优化设计和疲劳寿命的计算方法. 最后详细介绍了海洋电缆结构的实验测试技术和测试装备. 本文通过对海洋电缆研究方法和研究热点的详细综述, 揭示了该领域的主要研究方法和关键技术难点, 并展望了海洋电缆未来发展的主要技术需求和研究方向. 上述工作对海洋电缆在我国海洋油气能源开发中的高可靠性工程应用提供了基础理论和技术参考.      

可延展结构的设计及力学研究新进展

可延展柔性电子器件克服了传统无机电子器件脆、硬的缺点,在保持优异电学性能的同时,以其优秀的可延展性极大拓展了微电子器件的应用范围,备受国内外学术界和电子产业界瞩目. 无机电子器件的可延展柔性化主要通过力学结构设计的方法实现,本文针对近两年具有代表性的三种可延展柔性结构设计,包括分形互联岛桥结构、折纸结构和剪纸结构,简要综述了这些结构的力学研究进展,彰显了力学在可延展柔性电子器件发展中的重要作用,并展望了未来的发展方向.     

一种新型的细胞骨架力学模型

确定细胞骨架的结构和力学特性,建立和完善细胞骨架力学模型,是研究细胞在外界机械刺激下的复杂力学响应的关键。本文基于柔性结构设计中的找形分析,提出了一种新型的细胞骨架力学模型——找形模型。找形模型依靠随机理论生成模型中的单元,利用找形分析确定细胞模型的最终形状,模型更加接近真实的细胞骨架结构。与经典的细胞骨架力学模型(如泡沫模型、张力整合模型、索网模型等)相比,找形模型反映了细胞骨架结构的多样性和复杂性,符合细胞处于预应力状态的试验观测;找形模型计算出的细胞弹性模量为103Pa数量级,与大多数的细胞试验结果相符;另外,找形模型还可以分析细胞骨架组成成分的含量、几何尺寸和力学属性对细胞刚度的影响。     

长输管线整体下沟技术研究

 长输管线整体下沟技术是施工难点之一. 通过模拟大变形时的挠度曲线,建立力学计算模型,对管线下沟各阶段不同状态下的应力和变形进行分析,找出最不利的受力状态,得出吊点间距、起吊高度等指导施工的关键控制参数,并成功用于实践. 分析的结果可供矿浆管道、油气管道等长输管线整体下沟参考.     

输流管道动力有限元建模及实验研究

在输流管道系统中由结构-流体相互耦合作用导致的管道振动对工业生产的安全性、经济性具有重要影响。工程中常用有限元中的管单元建立管道动力学模型,用附加质量法或顺序耦合方法进行输流管道系统的动力学分析,这种建模和分析方法可能会造成管道中结构-流体相互耦合效应的缺失。本文搭建了输流管道系统的实验平台,分别在管道无水和充水两种状态下进行管道系统模态实验,并将实验结果分别与所建立的无水管道有限元模型和充水管道流固耦合模型分析结果进行了对比,验证了壳单元及实体单元管道动力学模型的合理性。通过实验和数值分析研究其动力特性发现：壳单元动力学模型更合理准确,管道系统由于流固耦合作用的影响产生了新的振动形态;附加质量法分析结果缺失了系统的某些低阶模态,表明了输流管道系统流固直接耦合动力学建模的必要性。     

管道封堵机器人的大变形橡胶筒静态密封特性仿真与试验研究

在管道封堵机器人中大变形橡胶筒是实现密封的核心部件，其在使用中常出现密封失效和撕裂失效等问题.为了明晰上述原因和解决问题，本文中研究了不同橡胶材料以及不同橡胶筒轴向长度、径向长度和倾斜边角等结构参数对管道封堵机器人的静态密封特性影响.基于橡胶材料的高弹性和大变形特性，进行了橡胶筒的多阶段变形力学分析.对橡胶材料进行单轴拉伸压缩试验，得到橡胶材料的本构关系参数.建立管道封堵机器人橡胶筒密封特性分析的有限元计算模型，通过多因素分析方法，获得橡胶筒关键结构参数的最优方案.并设计了室内试验来进一步确定最优橡胶筒材料.研究结果表明集中在橡胶筒肩部的应力直接影响橡胶筒的形变损伤.经过橡胶筒的密封效果对比分析后得出最优的橡胶筒结构为轴向长度180 mm、径向厚度55 mm、倾斜边角28°，橡胶材料硬度为85 HA.     

全尺寸干线输气管道爆炸地振动的空间分布和时频分布特性

针对第三代大输量天然气管道爆炸振动危害效应展开研究，组织实施了全尺寸天然气管道爆炸试验。经数据分析发现，天然气管道爆炸地振动的衰减更加符合指数分布而非传统幂率分布，且其振动强度在空间内分布不均匀，存在特定方向振动加强的现象。采用改进型的MP-WVD算法分析得到天然气管道爆炸地振动的时频特性，其振动的主要频率范围为10～20 Hz，持续时间为0.1～0.2 s。存在多次加载特性，瑞利波成分强于勒夫波成分。研究成果可为后续管道施工安全设计以及事故现场勘测提供参考。     

轻质点阵超结构设计及多功能力学性能调控方法

随着先进制造技术、多学科交叉和人工智能科技的飞速发展, 高端装备呈现出轻量化、集成化、复合化、功能化、智能化、柔性化和仿生化等发展趋势. 传统结构研究存在结构设计和制造相互分离, 复杂结构制造效率低、实际制造结构的性能指标和使用可靠性大幅低于设计理论预测、结构多功能一体化程度不足、经济成本过高等问题. 此外, 先进工业装备对材料、结构的使用性能、使用环境要求越来越高, 亟需开展结构的设计、制造、功能、应用一体化研究, 为解决我国先进制造“卡脖子”技术难题提供理论依据和技术支持. 轻量化多功能点阵超结构具有轻质高强、抗冲击吸能、减振降噪等性能优势, 在航空航天、交通运输、国防、生物医疗、能源、机械等工业领域具有巨大的应用潜力. 有鉴于此, 受多晶体微结构的多尺度力学设计启发, 以“点阵超结构力学设计”为主题, 开展点阵超结构的节点、杆件组元, 胞元类型、双相结构、梯度结构、多层级结构等典型点阵超结构的几何构筑和力学设计, 并阐明多晶体多尺度微观结构启发的点阵超结构力学设计基本原理、多功能力学性能调控方法, 以及点阵超结构在不同类型载荷下的结构变形和失效物理机理.      

FATIGUE LIFE ANALYSIS OF BONDED OFFSHORE LOADING HOSE UNDER ENVIRONMENTAL LOADS1)

海上漂浮软管是浮式生产储卸油装置上外输系统的关键设备.漂浮软管结构复杂且常年漂浮于海面上,极易受到风、浪、流等环境载荷的作用产生疲劳破坏而造成原油泄漏.首先,采用ABAQUS软件,建立了软管的有限元模型,得到了漂浮软管在弯矩和内压作用下的有限元结果;其次,采用水平方向的Morison方程和风载荷来描述漂浮软管在海面上复杂的载荷情况;再次,将静力学分析结果导入到FE-Safe疲劳分析软件中,将节点应力结果作为时间载荷历程,乘以相应的载荷倍数,得到疲劳分析的载荷谱,载入此载荷谱计算,得到了漂浮软管的寿命分布云图,其最小寿命满足工程要求;最后,分析了内压对疲劳寿命的影响,结果表明,一定大小的内压能提高软管的疲劳性能.     

Proposing a novel combined cycle for optimal exergy recovery of liquefied natural gas

The effective utilization of the cryogenic exergy associated with liquefied natural gas (LNG) vaporization is important. In this paper, a novel combined power cycle is proposed which utilizes LNG in different ways to enhance the power generation of a power plant. In addition to the direct expansion in the appropriate expander, LNG is used as a low-temperature heat sink for a middle-pressure gas cycle which uses nitrogen as working fluid. Also, LNG is used to cool the inlet air of an open Brayton gas turbine cycle. These measures are accomplished to improve the exergy recovery of LNG. In order to analyze the performance of the system, the influence of several key parameters such as pressure ratio of LNG turbine, ratio of the mass flow rate of LNG to the mass flow rate of air, pressure ratio of different compressors, LNG pressure and inlet pressure of nitrogen compressor, on the thermal efficiency and exergy efficiency of the offered cycle is investigated. Finally, the proposed combined cycle is optimized on the basis of first and second laws of thermodynamics.     

中国高速列车研发与展望

十几年来, 以高速列车为代表的高速铁路装备在长期技术积累和自主研发的基础上,经过引进消化吸收再创新、自主提升创新、全面创新和持续创新,成功研制了多代先进的高速列车产品. 通过不断的技术创新,突破了高速列车系列关键技术, 形成了自主研发能力,不断提升高速列车的安全性、可靠性、经济性、环保性及智能化.我国高速列车的运行速度、综合舒适度、安全性、可靠性、节能环保等各项综合性能指标优良,部分指标达到国际领先水平.论文系统回顾了我国和谐号动车组、复兴号动车组、城际动车组、前沿动车组产品的发展成就及主要技术突破,分析了高速列车研发过程中面临的复杂环境适应性、大系统复杂耦合作用、安全可靠设计、智能化应用等关键技术挑战,系统概述了高速列车故障预测与健康管理技术、车体轻量化技术、被动安全防护技术、碳纤维复合材料应用、气动外形设计技术、高速转向架技术、噪声控制技术、牵引制动技术等关键技术的研究进展及主要技术突破, 并展望了高速列车动力学技术、结构安全技术、被动安全防护技术、流固耦合技术、牵引制动技术、智能控制安全技术、故障预测与健康管理技术、综合节能技术等关键技术的未来发展方向.      

THE REVIEW OF HIGH-SPEED IMAGING AND LOAD TEST TECHNOLOGIES FOR BUBBLE DYNAMICS

气泡运动学和动力学一直为流体力学研究热点之一. 近年来,高速摄影技术和气泡载荷测试设备发展迅速,为人们研究气泡行为和载荷分析提供了强有力的支持. 本文综述高速摄影和载荷测试技术在气泡动力学中的应用与发展. 首先,简要回顾气泡现象的成因和分类;其次,详述高速摄影技术在捕获气泡形态中的应用;再次,回顾和讨论了气泡载荷测试设备以及试验手段的发展;最后,在上述基础上提出了一些尚需进一步完善的问题.     

软材料粘接结构界面破坏研究综述

软材料已经在软机器人、生物医学及柔性电子等各个领域得到广泛的应用. 实际应用中, 软材料多需要粘附于不同类型的基底上, 与之共同组成工程构件进而实现特定的功能, 粘接界面性能对构件的结构完整性与功能可靠性起着关键性作用. 本文对目前软材料粘接结构界面破坏行为方面的研究进行了系统总结. 首先通过与传统粘接结构的对比, 指出了“软界面”与“软基体”两种软材料粘接结构界面破坏行为的独特性及其物理本质. 接着分别总结了“软界面”与“软基体”两种粘接结构界面破坏行为的实验表征方面的研究成果, 对界面及基体黏弹性耗散对界面破坏机理的影响分别进行了分析. 然后从理论角度, 介绍了针对两种软材料粘接结构界面破坏行为的理论分析方法, 并对已建立的相关理论模型进行了总结. 之后以内聚力模型方法为基础, 介绍了软材料粘接结构界面破坏行为数值模拟方面的相关研究进展. 最后基于已有的研究成果, 提出了目前研究所面临的挑战, 并对可能的软材料粘接结构界面破坏的未来研究方向进行了讨论和展望.      

车身覆盖件冲压成形动态仿真的研究进展

概括了车身覆盖件冲压成形动态仿真所涉及的技术环节,如材料模型、几何模型、有限元方法、接触和摩擦问题、原始坯料现状、模具系统和工艺参数．综述了在这些技术领域的研究进展．简要介绍了国内在车身覆盖件冲压成形动态仿真工业应用研究方面的最新成果,讨论了在应用研究中仍存在的问题和进一步的研究发展方向．     

多柔体系统动力学建模与优化研究进展

多柔体系统是由柔性部件和运动副组成的力学系统,在航空、航天、车辆、机械与兵器等众多工程领域具有广泛的应用前景, 其典型的代表包括柔性机械臂、直升机旋翼、卫星的可展开天线、太阳帆航天器等. 近年来,随着工程技术的发展,多柔体系统动力学问题日益突出,尤其是含变长度柔性部件的多柔体系统,不仅涉及其动力学 建模与计算,还涉及其动力学优化设计. 事实上,部件柔性对多柔体系统的动力学行为影响很大,直接影响到优化结果,因此需要发展基于多柔体系统动力学的优化设计方法. 本文首先阐述了多柔体系统动力学优化的研究背景及意义,简要回顾了多柔体系统动力学建模的3类方法:浮动坐标方法、几何 精确方法和绝对节点坐标方法,并介绍了含变长度柔性部件的多柔体系统动力学建模方法. 系统概述了多柔体系统动力学响应优化、动力学特性优化和动力学灵敏度分析3个方面的研究进展,并从尺寸优化、形状优化和 拓扑优化 3 个方面综述了多柔体系统部件优化的研究进展. 本文最后提出了在多柔体系统动力学优化研究中值得关注的若干问题.      

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).