管土作用下海底悬跨管道裂纹断裂韧性研究

运用断裂力学相关理论,考虑管道接触的非线性、管道内压、水流载荷等因素的影响,基于ABAQUS有限元软件对含环向裂纹悬跨管道进行了分析,并考虑不同管土接触边界条件、不同土质及不同土体刚度对管道裂纹应力强度因子的影响,得出了相应的应力强度因子值。结果表明:以等效弹簧模拟管道和土体的接触更符合管道实际受力情况;土壤特性对悬跨管道环向裂纹应力强度因子有一定影响,较软土质应力强度因子大于较硬土质;管土接触边界对悬跨管道环向裂纹影响很大,不同接触边界的应力强度因子差值范围在25%～55%之间。     

基于子结构法的土-地下空间结构体系地震反应高效计算系统研究

为研发适用于土-地下空间结构相互作用体系地震反应分析的高效计算系统，本文基于子结构方法，综合利用ABAQUS软件和SASSI 2010的各自优势，通过二次开发，构建了一个适于土-地下空间结构动力相互作用分析的高效计算系统(ABAQUS-SASSI 2010 Combined System，简称ASCS)．该计算系统实现了ABAQUS软件和SASSI 2010的无缝连接，用户可以按照ABAQUS软件的可视化前处理功能，方便地建立包括土-地下空间结构相互作用体系在内的各种有限元模型，并调用和执行SASSI 2010程序的不同模块，按子结构方法对整个体系实施高效计算．为验证ASCS计算系统的有效性，文中首先采用ASCS计算系统对日本阪神地震中大开地铁车站的震害进行了模拟；然后，采用ABAQUS软件建立土-大开地铁车站结构相互作用体系的整体有限元分析模型，通过对比分析ASCS计算系统的子结构法结果和ABAQUS软件的整体有限元法结果，进一步验证了ASCS计算系统的计算精度和效率．结果表明：基于本文ASCS计算系统的数值模拟结果与阪神地震中大开地铁车站的震害结果一致；ASCS计算系统的子结构法结果与整体有限元法结果基本吻合，但前者的CPU时间是后者的1/21，明显提高了计算效率．     

饱和土体中压力隧洞衬砌-土相互作用解析研究

基于Biot理论，采用渗流一力学耦合模型研究分析了内水压力作用下饱和土体中压力隧洞衬砌一土的相互作用问题。假定衬砌和土体均为饱和多孔介质，且衬砌和土体完全接触。运用积分变换理论，在hplace变换域中得到了衬砌和土体中的应力、位移和孔隙水压力解答，并利用bplace数值逆变换得到时域中的解。文末的算例分析结果表明：(1)采用渗流一力学耦合模型能较好地反映隧洞衬砌与土体相互作用中应力和变形的随时间变化过程；(2)衬砌和土体的相对刚度对隧洞的计算结果有很大影响。     

海底管道离地点的接触条件探讨

海底管道的铺设分析和提升分析都用到管道和海床之间的接触条件，这个同时含有挠度、转角和弯矩的接触条件，在一般的力学模型中是很难理解的．考虑海床变形，通过海床和管道的变形分析，给出这种接触条件的真实背景和使用条件．     

考虑侧面摩擦的侧限压缩模型的数值解法

海上箱筒型基础结构下沉到位后，舱内土体的受力变形可以看作是侧限压缩模型问题，上部荷载引起的侧壁摩擦力与土体应力之间的关系较为复杂。本文通过简化模型，列出了侧限压缩模型的平衡微分方程，分析了方程解析计算时存在的难点，结合摩擦应力边界条件的特点，构造函数迭代法对该方程进行数值求解，展示了计算的收敛过程，得到接触侧面上水平应力和土体表面位移的非线性分布规律，并将其结果与ABAQUS数值模拟结果进行了对比。结果表明，函数迭代法收敛速度较快，计算过程稳定，对其他存在变量耦合边界条件的微分方程数值求解有一定的参考价值。     

沉管隧道地震响应分析中的三维接触模型与算法研究

针对土体与埋置在土体中的管段以及沉管隧道各个柔性接头处不同构件之间的动力相互作用,采用基于超级计算机的三维接触模型对上海某沉管隧道进行了地震响应分析,并进行了三维接触算法的研究。整个模型单元数超过了120万,节点数超过了100万。研究证明,应用文中提出的接触模型和算法可将接触处理的CPU时间大大缩短。地震波载荷选用调幅后的唐山地震波,应用通用非线性动力分析有限元程序LS-DYNA进行求解,计算结果可为隧道的抗震设计提供有力依据。     

考虑海底接触的钢悬链式立管触地点动力响应以及疲劳损伤分析

基于考虑接触的钢悬链式立管SCR(Steel Catenary Riser)触地点处的结构特性,分别采用了考虑管土分离的线性截断模型以及包含土体吸力效应的帽盖模型来描述P-y曲线。通过改变上端浮体的垂荡运动幅度、土体吸力系数以及海床刚度,对SCR触地点处的动力响应以及疲劳损伤特性进行了分析。分析结果表明,SCR触地点的垂向位移、弯矩、等效应力以及疲劳损伤均随着浮体垂荡运动幅度的增加而呈上升趋势。SCR触地点的垂向位移随着土体吸力系数的增大由高幅低频响应转变为低幅高频响应。SCR触地点的疲劳损伤随着海床刚度的增加呈现先稳定再增加再稳定的趋势。     

浅埋高压输气管道爆炸地面振动的原型试验与数值模拟研究

针对浅埋高压输气管道爆炸产生的地面振动效应，采用现场试验结合数值模拟的方法展开研究。组织实施了全尺寸天然气管道爆炸试验，掌握了高压输气管道爆炸地面振动的量级范围以及衰减规律。经试验数据分析得到，埋地高压天然气管道爆炸造成的地面振动主要产生于物理爆炸过程中，随后发生的天然气爆燃过程并未产生明显的地面振动。基于非线性有限元程序 LS-Dyna建立了高压输气管道爆炸试验计算模型，计算结果与试验现象吻合较好，验证了模型参数设计的合理性。进一步分析了管道爆炸瞬间管内气体-管壁-土体的相互作用机理、应力分布以及裂纹扩展规律。由计算结果分析得到，管道开裂是由于内部高压气体推动管壁向两侧扩展在裂纹尖端处形成了应力集中，管壁冲击土体的速度可达50 m/s，冲击产生的塑性状态向远处传播逐渐衰减为弹性应力波，即形成了地面振动效应。研究成果揭示了高压气体管道爆炸地面振动的主要成因，可为爆炸事故振动预防提供理论参考和技术支持。     

基于CEL有限元法的大管径钢管桩贯入海基过程的承载力分析

鉴于耦合欧拉-拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian, CEL)有限元方法在计算分析接触大变形问题时的优势，建立了大管径钢管桩贯入海基的CEL有限元模型，即在被贯入的海基层采用欧拉有限元法建模，其它层采用拉格朗日有限元法建模，两者之间通过罚函数的接触算法进行耦合．在欧拉有限元模型中，采用算子分裂技术．为兼顾计算模型的精度和效率，本文先对模型的网格密度和贯入速度进行稳定性分析，以此确定合适的网格模型和适宜的贯入速度，同时验证CEL方法在贯入模拟中的可行性．随后针对不同土体类型和不同土体参数变化，探究土体贯入阻力随贯入深度的变化规律．计算结果表明砂土的贯入阻力最大，粉砂土次之，粘土的贯入阻力最小；且贯入阻力对土体内摩擦角的变化最为敏感，对土体粘聚力的变化比较敏感，而对土体模量的变化不敏感．     

考虑接触应力非线性分布的接触力元模式及其验证分析

在作者提出的非连续变形计算力学模型中,采用接触力元模型描述多体接触界面上的接触特性．由于这种模型中假定接触应力沿接触界面为线性分布,从而得到的接触界面应力分布往往出现跳跃等非光滑性特征,该文对此进行了改进,采用具有高阶光滑性的非线性函数建立了能够考虑界面上接触应力非线性分布的接触力元模式,以期合理地揭示多体系统中界面的接触特性．对某一典型算例进行了数值计算,通过与大型通用非线性有限元结构分析软件ABASQUS的计算结果对比,验证了所建议计算模型的合理性与有效性．两种方法计算得到的界面接触对上的接触力基本相同;而由于采用的应力分布模式的假定不同,接触应力有所差别,由于在该文计算模型中接触对上的接触应力是按照未知量直接求得的,因此按照所建议的非线性接触力元模式所得到的接触应力更为合理．     

Reflection and radiation of a wave system at the open end of a submerged elastic pipe

The reflection and radiation of a wave system at the open end of a submerged semi-infinite elastic pipe are studied. This wave system consists of a flexural wave in the pipe, an acoustic surface wave in the fluid exterior to the pipe and an acoustic wave in the pipe’s interior. Fourier transform techniques are used to formulate this semi-infinite geometry problem rigorously as a Wiener-Hopf type equation. An approximate solution is obtained by using a perturbation method in which the ratio of the massdensities of the fluid and the pipe material is regarded as a small parameter. The calculation of the reflection coefficient is emphasized, and the polar plots of the radiation coefficient are also presented.     

一种土的非线性弹性本构模型参数的反演方法

旨在提出一种土的非线性弹性本构模型参数反演的方法。以现今普遍实行的地基载荷试验为基础,依据遗传算法的组合优化理论,采用正演计算和遗传算法优化相结合的方式,建立了土层非线性弹性本构模型参数反演的方法;并依据某黄土场地地基载荷试验数据,实施了黄土土层非线性弹性本构模型参数反演的全过程。计算结果表明,所建立的方法可以实现土层非线性弹性本构模型中相互关联的多个参数的组合优化,并在对初始值要求较低的情况下,可以获得良好的参数反演精度。从而为土的变形特性分析和土与其中及相邻结构的共同作用分析,提供了较好的土体本构模型参数的确定方法。     

基于弹性波反演的压力管道损伤识别

基于弹性波的波动方程反演提出压力管道的损伤检测方法，根据直杆的波动方程，用直杆的横截面积作为反演参数模拟管道损伤，在优化思想下利用序列二次规划对其进行数值反演，达到损伤识别。     

不同本构模型对橡胶制品有限元法适应性研究

为确定不同本构模型对橡胶制品进行非线性有限元分析的适应性,采用HyperMesh 和ABAQUS软件建立了橡胶标准试件和防尘罩制品的非线性有限元模型. 根据标准试件单轴拉伸试验数据,利用ABAQUS软件拟合了Mooney--Rivlin, Ogden 及Yeoh 3 种本构模型的特征参数,并给出了试件和制品轴向拉伸和压缩工况有限元分析结果. 实测试验与有限元分析结果对比发现:在应变不大于100% 时,两参数的Mooney--Rivlin本构模型计算误差较小;在应变大于100% 时, 用Yeoh 和Ogden 本构模型计算误差较小. 该结论对大变形橡胶元件的非线性特性理论分析具有实际意义.     

Mechanical behavior and wrinkling of lined pipes

The paper focuses on wrinkling of lined pipes (sometimes referred to as clad pipes) under bending loading, where a corrosion-resistant thin-walled liner is fitted inside a carbon–steel outer pipe. The problem is solved numerically, using nonlinear finite elements to simulate liner pipe deformation and its interaction with the outer pipe. Stresses and strains are monitored throughout the deformation stage, detecting possible detachment of the liner from the outer pipe and the formation of wrinkles. The wrinkling behavior of elastic and elastic–plastic (steel) lined pipes under bending is examined. The results indicate that the lateral confinement of the liner pipe due to the deformable outer pipe and its interaction with the outer pipe has a decisive influence on the wrinkling behavior of the lined pipe. It is also shown that the behavior is characterized by a first bifurcation in a uniform wrinkling pattern, followed by a secondary bifurcation. The values of corresponding buckling curvature are determined and comparison with available experimental results is conducted in terms of wrinkle height development and the corresponding buckling wavelength. The results of the present research can be used for safer design of lined pipes in pipeline applications.     

Finite element simulations of martensitic phase transitions and microstructures based on a strain softening model

A new approach for modeling multivariant martensitic phase transitions (PT) and martensitic microstructure (MM) in elastic materials is proposed. It is based on a thermomechanical model for PT that includes strain softening and the corresponding strain localization during PT. Mesh sensitivity in numerical simulations is avoided by using rate-dependent constitutive equations in the model. Due to strain softening, a microstructure comprised of pure martensitic and austenitic domains separated by narrow transition zones is obtained as the solution of the corresponding boundary value problem. In contrast to Landau-Ginzburg models, which are limited in practice to nanoscale specimens, this new phase field model is valid for scales greater than 100 nm and without upper bound. A finite element algorithm for the solution of elastic problems with multivariant martensitic PT is developed and implemented into the software ABAQUS. Simulated microstructures in elastic single crystals and polycrystals under uniaxial loading are in qualitative agreement with those observed experimentally.     

西南民居明销直榫节点抗弯性能研究

西南传统民居主要为榫卯连接的木结构,其主要采用直榫连接方式,为了研究西南民族木结构中的明销直榫节点力学性能,设计了两个足尺节点并进行单向加载试验,得到节点的弯矩-转角曲线以及失效形态．在试验基础上,建立榫卯节点的理论模型,推导出相关参数的理论公式,并运用有限元软件ABAQUS 对影响节点抗弯能力的因数进行数值模拟分析．研究结果表明：明销直榫节点在单向加载的情况下,其弯矩-转角曲线大致为弹性受力阶段、塑性发展阶段,将双折线模型理论曲线与试验曲线和数值模拟曲线进行比较,三者吻合较好．明销直榫节点的屈服弯矩和极限弯矩随榫头高度、榫头宽度、摩擦系数增加逐渐增大．     

The simulation of oscillatory pipe flow on an analogue computer

Summary A formulation of equations governing oscillatory flow of a fluid in a circular pipe is given. The equations are then cast in a form suitable for analogue computation and a corresponding programming diagram suitable for use with an EAI 680 Analogue Computer is provided. Results have been obtained forNewtonian flow for a range ofReynolds numbers and for combinations of the realReynolds number, and the ratio of elastic to viscous forces in the case of linear viscoelastic fluids.The displacement profiles given in this work do not depend upon specific rheological models and are therefore of universal validity for linear fluids.