海底管道的弹塑性稳定性和屈曲传播

本文根据我国南海海底输油气铺管的要求系统分析了海底管道在弯曲与外水压力共同作用下的弹塑性稳定性和屈曲传播.研究了管道的极值型屈曲和分枝型屈曲.在考虑管道的初始非圆度和材料的物理非线性的情况下提出了临界屈曲载荷的计算方法.综述和评论了屈曲传播现象的本质和各种计算方法.介绍了我们所进行的全尺寸管道实验.在分析理论结果时与现行的有关设计规程进行了比较和评论.     

Chater梁屈曲传播的动态分析

本文从非线性有限元的一般方法出发,结合应用加权残数技术和ALE边界元法,对Chater梁的屈曲传播进行了完全的动态分析,抛弃了前人一直采用的准静态和动稳态假设;另外,基于势流理论和非线性液面条件,还考虑了结构充液后由于流固耦合作用对屈曲传播所造成的影响,大量算例揭示了结构的菲线性、作用载荷、屈曲传播速度以及液体介质之间的内在关系,从而对屈曲传播有了更深入的认识。     

深海保温输油管后屈曲及屈曲传播的有限元分析

本文运用ABAQUS有限元软件模拟深海输油管道的后屈曲及屈曲传播现象．将深海输油管道视为内、外层为合金钢材,夹心为聚氨酯泡沫的输油管道．采用线弹性-线性硬化的本构关系,运用Riks分析法获得后屈曲平衡路径,以此模拟管道中的屈曲传播过程,并获得屈曲传播压力．通过数值算例,综合讨论了不同初始缺陷、不同径厚比、不同夹层与夹心厚度比对、不同的材料弹性模量对屈曲传播过程和压力的影响．最后将输油管退化为单层管,将传播压力的有限元结果与实验结果、 Palmer理论解比较．结果表明有限元值、实验结果、理论值三者比较吻合．验证了有限元分析的正确性．     

海底管线抗震设计的极限地震应力计算法

针对现用海底管线地震应力计算时存在的计算应力过大、管线几何参数和埋设深度对计算结果几乎没有影响等问题,在考虑了海底管线实际埋设环境的基础上,通过理论分析,给出了考虑地震时管线周围约束土壤进入塑性滑移状态后的极限地震应力计算方法,来计算海底埋设管线在地震作用下所产生的最大地震应力。用该新方法分析了一实际管线工程的地震应力,并通过与现用方法计算结果的比较,证明该方法克服了现用设计方法仅考虑管土之间为弹性约束、管线几何尺寸对抗震设计影响很小等问题,有效反映了实际铺设环境对海底管线地震应力的作用。本文应用极限地震应力计算法,结合工程实例计算,进一步明确了管线几何参数和埋设深度对极限地震应力的影响规律,为准确计算海底管线的地震应力、制定海底管线抗震规范、进行已服役海底管线的地震风险评估和寿命预测奠定了基础。     

地震和波流作用下海底悬跨管线模型实验研究

利用水下地震-波流联合模拟实验系统研究了海底管线在波浪、水流和地震作用下的动态响应特征。实验中考虑了有无地震作用、悬跨长度、波浪高度、水深、水流速度以及是否满管状态等因素。通过DDP动态数据后处理软件对实验结果进行处理分析,得到海底悬跨管道的动态响应特性。实验结果表明:在浅海海域,悬跨管线的动态反应受波浪及水深变化的影响不明显,悬跨长度是影响管道动态响应的主要影响因素;悬跨管线在地震与波流共同作用下的反应与仅地震作用下的应变存在差别;在波浪力作用下,空管时管线的应变要小于满管时的情况。     

应力波传播与屈曲耦合情况下结构动力屈曲控制方程探讨

从应力波作用下结构动力屈曲的特点出发,指出应力波作用下结构动力屈曲与结构中应力波传播的耦合导致时间成为结构动力屈曲的参变量,从而应力波作用下结构动力屈曲问题中结构的真实运动与邻近运动是不同时刻、不同扰动区域的比较,这使得其动力屈曲控制方程的建立不宜采用传统的等时积分变分原理;以压应力波作用下弹性直杆为例,应用能量守恒原理,根据屈曲时刻结构能量的转换关系,建立了弹性压应力波作用下半无限长直杆的动力屈曲控制方程,并得到了波前附加约束条件;最后,讨论了波前附加约束条件的物理意义,指出波前附加约束条件出现的根本原因是轴向应力波的传播与屈曲不能解耦。     

引入惯性力影响的海底埋设管线的抗震设计方法

在现有海底管线抗震规范的基础上，根据海底铺设环境的实际情况，在考虑管线惯性力影响的情况下，提出了管土动力响应的新的力学模型，侧重分析引入惯性力与土壤滑移的影响，结合实际工程参数，对考虑惯性力后的动力学方程进行了仿真计算，比较了引入和不引入惯性力两种抗震设计方法的结果，这对海底管线的抗震设计有一定的参考和实际应用价值。     

压电板屈曲和后屈曲的有限元分析

采用板的一阶剪切理论,并考虑结构的几何非线性,基于Total Lagrange方法,建立了在弱非线性耦合假设下压电智能结构的有限元控制方程.分析了不同边界条件下压电板的屈曲和后屈曲.计算结果表明,在单向压力作用下,材料的压电效应和外加电压对板的屈曲载荷及后屈曲影响很小;而电场对位移加载简支板的屈曲影响较显著.该文为压电材料的工程应用提供了理论指导,同时提供了一种有效的有限元分析方法.     

海底悬跨管线涡激振动实验方法探讨

随着我国海洋石油开采业的发展,海底悬跨管线涡激振动的研究越来越受到重视。本文总结了海底悬跨管线涡激振动的实验研究与进展,对海底悬跨管线的涡激振动实验方法、测试技术、分析方法以及实验中可能存在的难点问题进行了详细讨论和分析;给出了波流水槽内稳定流、波浪以及波流联合作用等条件下海底悬跨管线的涡激振动实验设计原则和方法,进行了海底悬跨管线的涡激振动实验设计,实验主要关注于涡激共振由一阶共振向二阶共振过渡的模态过渡特征以及过渡范围内管线的振动特征,目前实验已在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的波流水槽中完成;最后,提出了相关的研究建议。     

刚体碰撞下直杆的塑性屈曲和后屈曲

研究了受刚体轴向碰撞直杆中塑性屈曲变形发展的机理.推导了增量形式的非线性动力方程,并用差分法求解,将特征值分析给出的初始局部屈曲位移作为方程解的初始条件.数值结果说明:随着轴向压缩波的传播,碰撞端附近发生的局部屈曲变形增长和向前传播,由半波形的初始模态发展成后屈曲高阶模态;在后屈曲变形的早期阶段无应变率逆转发生,切线模量理论适用于该阶段弯曲变形的计算.     

梯度多孔金属材料梁的屈曲和屈曲基础上的振动

为研究梯度多孔金属材料梁的屈曲以及屈曲附近的振动特性,首先建立了随从分布压力下梯度多孔材料梁的动力学控制方程,得到了描述后屈曲的静态控制微分方程和描述屈曲前后振动响应的控制方程。通过打靶法数值求解两组强非线性方程,获得了简支-固支梯度多孔梁的屈曲临界载荷以及屈曲前后振动频率与载荷之间的关系曲线。分析了孔隙率系数和孔隙分布方式对屈曲临界载荷和屈曲前后振动频率的影响。结果表明,随着孔隙率系数e₀的增加,发生屈曲时的临界载荷减小;各阶固有频率也减小。屈曲前,各阶振动频率随载荷增大而减小,屈曲后,除三阶频率外,一阶和二阶频率随载荷增大而增大。     

载电流简支杆的磁弹性屈曲和过屈曲

讨论了磁场中载电流简支杆的非线性稳定性问题，其磁场由两根无限长平行直导线产生，并且自然状态的简支杆位于两导线的中间．结果表明，两导线间的距离和电流方向对杆过屈曲的性态有着显著的影响．     

板壳的蠕变屈曲、热屈曲和热变形

在超音速飞行中,飞行器表面边界层内的空气由于摩擦,温度迅速增高。边界层高温空气的热能传给飞行器蒙皮,使飞机蒙皮温度升高,并逐渐将部分热能传给内部结构。由此而引起的热的问题称为气动加热问题。气动加热使蒙皮的温度高,内部结构的温度低;蒙皮本身温度也不均匀,蒙皮和内部结构接触的部分温度低,不接触的部分温      

冲蚀地形上悬跨海底管线涡激振动试验研究

为了给海底管线服役期间的安全评估提供科学依据,基于水弹性相似关系,对海底管线服役期间常见水流环境条件下,冲蚀地形上悬跨弹性海底管线涡激振动进行试验研究.采用粘贴于管线内壁的应变片测量振动过程中的应变.通过与平底地形上相关研究结果进行对比分析发现:冲蚀地形上悬跨海底管线涡激振动强度与振动频率均受到冲蚀地形的影响;振动强度随水流折减速度的变化比平底地形要快,在相对冲坑长(悬跨长)L/D为20与L/D为35时涡激振动强度的差别较平底地形上悬跨管线要小得多;管线垂向振动频率随冲蚀地形冲坑长度的减少而增大;冲蚀地形上悬跨管线周围的斯特劳哈尔数St在0.21左右.比相同雷诺数下平底地形上悬跨管线周围St数略大.     

3D复合材料中脱层的屈曲和后屈曲分析

利用ｖｏｎ Ｋａｒｍａｎ非线性薄板理论，借助Ｔａｙｌｏｒ级数展开方法，求解了３Ｄ复合材料中圆形薄膜脱层的屈曲和后屈曲问题，其中着重分析了横向纤维搭桥约束作用对脱层屈曲性能的影响。大量的计算和分析发现，与无搭桥脱层的特征不同，纤维搭桥不仅起到了抑制脱层演化发展的作用，而且也会导致脱层屈曲模态的突变，从而大大改善了结构性能，提高了结构的剩余强度和使用寿命。     

轴压非圆柱壳的弹塑性屈曲和初始后屈曲

1. 基本方程对于柱壳,取x~1沿母线方向,x~2沿横截线弧长增加方向,x~3则与中面正交。当三个基向量都取作单位向量时,便相当于一个笛卡尔坐标系。对于均匀轴压的柱壳,屈曲前的平衡状态可设为单轴应力状态,若不计端部约束作用,可设法向挠度沿轴向无变化,沿周向变化缓慢而可略去,于是前屈曲基本解为(?) N_(αβ)、M_(αβ)分别是应力合力和合力矩张量。若用(·)表示一个量的微小增量,则从虚功原理导出的增量型稳定性方程及其边界条件可写成:     

联合载荷作用下简支矩形板的屈曲和过屈曲

本文研究了简支正交各向异性矩形板在两对板受中面压力作用下的屈曲和过屈曲性态,得到了载荷的稳定性区域,证明了临界载荷最多为二重的。利用多参数摄动方法求得临界载荷附近板的过屈曲状态的渐近解,分析了在二重临界载荷附近,当载荷按比例变化时,板的可能的过屈曲状态及其与参数的依赖关系。     

应力波传播与屈曲耦合情况下结构动力屈曲控制方程及波前边界条件的探讨

从应力波作用下结构动力屈曲的特点出发,指出应力波作用下结构屈曲与应力波传播的耦合导致时间成为结构屈曲的参变量,从而应力波作用下结构屈曲的真实运动与邻近运动是不同时刻、不同扰动区域的比较,这使得其控制方程的建立不宜采用传统的等时积分变分原理;以压应力波作用下弹性直杆为例,应用能量守恒原理,根据屈曲时刻结构能量的转换关系,建立了其屈曲控制方程,并实际推导得到了波前边界条件为横向位移,转角和曲率为零;其中,波前边界第三个条件出现的原因是轴向应力波的传播与屈曲的耦合.     

薄壁结构屈曲和初始后屈曲的局部分析及其精度

为了解决大型复杂薄壁结构稳定性有限元分析中方程阶数过高的问题,本文建议用结构局部代替整体进行计算,证明局部分析方法可以得到整体结构线性分支点的上限和下限,以及整体结构渐近后屈曲行为的近似解,给出了算例。     

非线性地基上弹性梁屈曲传播抑制的动力有限元分析

基于非线性地基弹性梁屈曲传播的动态控制方程，考虑梁质量惯性的影响，用有限元和时间积分相结合的方法，计算了分析了止屈器对梁屈曲传播抑制的作用，止屈器是通过局部加大地基刚度加以模拟。研究表明：考虑动态得到的止屈效果和前人以准静态为前提的结果相比有明显不同。