受内压厚壁圆筒的塑性变形条件与脆断分析

基于弹性约束的概念,分析了受内压厚壁圆筒产生塑性变形的条件。发现厚壁圆筒发生脆性断裂的根本原因是,圆筒内壁高应力区因受到外壁低应力区的弹性约束,在应力达到材料的屈服条件时不能产生塑性变形。通过计算给出了受内压管道避免脆性断裂的壁厚设计和选材方法。研究结果表明,对外直径2b=300mm的不同管线钢,随屈强比从0.51增大到0.91,其临界壁厚由62.2mm降低至12.9mm,极限内压由225.2MPa降低至69.0MPa,即选用材料的屈强比越低,设计管道不发生脆断的壁厚尺寸范围越大,在临界壁厚尺寸范围内管道的极限承载能力也越高。因此使用较低屈强比的材料并控制合理的管道壁厚,能使管道在承受意外的冲击内压时,出现全面塑性变形,以吸收冲击能量,避免管道脆性断裂的发生。     

基于单元生死技术的岩溶区域PE管道应力分析

采用ABAQUS有限元软件,基于单元生死技术构建了穿越岩溶区域的埋地PE管道管-土非线性耦合模型,研究了各个敏感因素对管道应力响应的影响规律,结合多元非线性回归理论得出了管道应力响应影响因素的敏感度排序。研究结果表明:(1)单元生死技术能够较为准确地模拟岩溶塌陷的发育特征。(2)随着岩溶土体塌陷长度及宽度的增加,管道应力峰值不断增大,但两者对管道应力响应的影响是有限的;随着岩溶覆盖层厚度增加,管道应力峰值不断减小,厚度增加到4m后管道危险截面由受拉区域转变至受压区域;增大壁厚可以延缓管道进入塑性区的时间,提高管道抵抗岩溶塌陷破坏的能力;在穿越岩溶区域时应选择合适的埋深以保证管道安全,最佳埋深为1m～1.5m。(3)岩溶塌陷作用下管道应力响应影响因素敏感度排序为:岩溶土体塌陷宽度岩溶土体塌陷长度岩溶覆盖层厚度管道壁厚管道埋深。     

河流油气管道动应力特性及悬跨安全性分析

近年来穿越河流的油气管道的爆管、泄漏事故频繁发生,因此对穿越河流悬跨油气管道进行力学特性分析及安全防控措施研究尤为重要.利用振动破坏准则求得悬跨管道的最大安全悬空长度.利用ABAQUS建立管道和土体的模型,基于流体动力学理论、管土耦合理论以及有限元理论,对河底输油管道的水平悬空段进行动应力研究,得到单跨悬跨管道的长度不得大于悬跨段的0.65,且在施加载荷过程中管道将先发生振动破坏,再发生屈服破坏.依据管道的最大悬跨长度,探索用钢结构支撑法解决管道悬跨长度过长的安全问题.     

内压作用下弯管的塑性极限载荷分析

在变壁厚椭圆截面弯管应力分析的基础上,运用Tresca 和von Mises 屈服准则,对承受内压作用的钢制弯管进行了极限载荷分析,推导出考虑弯管截面壁厚变化和弯管椭圆度的变壁厚椭圆弯管的塑性极限压力计算式. 弯管的极限载荷随着弯管的壁厚和弯管的椭圆度的不同而变化.     

U型充液管道的流固耦合分析

基于流固耦合原理,在ADINA软件中建立了U型充液管道的有限元模型,对其进行了流固耦合模态分析,研究了壁厚对管道固有频率的影响;并对简支U型管道的充液过程进行了数值仿真,研究了充液加速度和壁厚对管道位移及应力的影响。结果表明:随着模态阶数的增加,管道的固有频率逐渐增大;在无耦合时计算的管道固有频率大于流固耦合状态时的结果,管道固有频率随壁厚的增加呈非线性增加;在充液过程中U型管道的最大应力出现在弯头处;在充液过程中管道的位移与应力随充液加速度的增大而增大,随壁厚的增大而减小;但无论充液加速度多大,充液后管道的最终位移基本相同。     

基于弯矩修正法的浅水区海底直铺管道允许悬跨长度计算

海底管道悬空问题是管道工程建设中经常遇到的重要问题,当管道的悬跨长度达到一定值时,管道较容易失稳,而悬空油气管道失稳破坏导致的后果往往非常严重,因此需要对悬空的海底管道进行定期的维护和处理,但由于海上作业难度大,针对悬空管道的治理成本非常高,因此可考虑对处于悬空但在安全允许悬空范围内的管道暂时不进行加固,此时就需要计算管道的允许悬跨长度,为管道的治理提供依据。由于我国油田大多建设在近海地区,因此在考虑管道的悬空问题时需考虑浅水区波浪的特点。本文考虑浅水区波浪的非线性影响,推导得到浅水区波浪场内任意一水质点的水平流速和竖向流速计算公式,并根据该公式和Morison方程,进一步建立了管道悬跨水动力载荷的表达式,最后基于弯矩修正法,提出浅水区平铺海底管道允许悬跨长度计算公式。根据工程实例,结合本文研究,计算得到该工程所在海区平铺管道允许悬跨长度。     

注浆微型钢管桩抗弯性能研究

为探讨注浆微型钢管桩的抗弯性能，对不同钢管管径、壁厚以及砂浆强度的12根试件，采用正交试验方案进行纯弯曲试验，基于试验结果提出极限抗弯承载力表达式，并采用有限元软件ANSYS建立模型进行验证。结果表明：注浆微型钢管桩的弯曲全过程可分为3个阶段，即，弹性阶段、弹塑性阶段和强化阶段；对注浆微型钢管极限荷载敏感性大小为，钢管管径>钢管壁厚>砂浆强度等级；不同规程计算的极限抗弯承载力与试验差异较大，本研究所提出的注浆微型钢管桩极限抗弯承载力表达式与试验结果吻合较好，钢管的抗弯承载力约占注浆微型钢管桩总抗弯承载力的78%,管内砂浆约占22%;有限元模拟结果显示，管内砂浆对微型钢管桩的抗弯性能有较大的提升，验证了所提出的注浆微型钢管桩抗弯承载力表达式的正确性。     

P91钢中厚壁管焊接残余应力分析

针对管道试件规格不同所要求的焊接工艺不一致问题,讨论P91钢中厚壁管对接接头所要求的双人对称焊形式下的焊接残余应力分布规律．基于ANSYS分析软件,以双移动高斯热源结合单元生死技术,利用顺序耦合方法得到P91钢中厚壁管焊接残余应力．讨论热处理工艺对于P91钢中厚壁管焊接残余应力的影响．结果表明,由于焊接工艺在环向位置上的结构反对称性使得焊接残余应力在环向上呈反对称分布;即便经过较高温度的预热处理,没有焊后热处理时最大等效应力仍超过屈服极限;进行焊后整体热处理的P91钢中厚壁管焊接残余应力得到了有效的改善,平均应力数值下降了60%~70%．     

含轴向表面裂纹海洋管道的应力强度因子分析

基于权函数方法,对表面含有轴向裂纹的海洋管道进行分析,给出了计算裂纹前端应力强度因子的积分表达式,进一步导出了满足工程精度要求的应力强度因子的实用计算公式.研究了具有此类裂纹的海洋管道在内压作用下,裂纹最深点和表面点的应力强度因子随裂纹深度和裂纹纵横比的变化规律,并对其可靠度进行了评估.数值结果表明:含轴向裂纹海洋管道的应力强度因子随裂纹长度和深度的增加而增加;当裂纹长度和深度、管道壁厚和半径以及荷载为随机变量时,其可靠度随压力均值的增大而减少.该方法为海底管道的断裂计算和可靠性分析提供了参考依据.     

拉压性能不同材料厚壁圆筒与厚壁球壳的极限压力

本文就拉压屈服极限不同的理想弹塑性材料厚壁圆筒及厚壁球壳在内压力作用下进行了应力分析，得到了依赖于压拉比的弹性极限载荷与塑性极限载荷。由分析结果可见，拉压性能不同材料的弹性极限载荷与塑性极限载荷均有所提高，并且随着壁厚的增加提高量也有显著增加。     

拉压性能不同材料厚壁圆筒与厚壁球壳的极限压力

本文就拉压屈服极限不同的理想弹塑性材料厚壁圆筒及厚壁球壳在内压力作用下进行了应力分析，得到了依赖于压拉比的弹性极限载荷与塑性极限载荷．由分析结果可见，拉压性能不同材料的弹性极限载荷与塑性极限载荷均有所提高，并且随着壁厚的增加提高量也有显著增加．     

地震载荷工况下隧道内油气管道应力分析研究

为了了解隧道内油气管道在地震载荷工况下的应力分布情况,有必要对其进行应力分析。基于地震响应谱分析法,采用CAESAR Ⅱ软件建立了地震载荷工况下中缅某段隧道内油气管道的应力模型,对其进行应力分析,并校核了油气管道的位移、应力是否符合规范。分析研究了管道的最危险截面;计算出了危险弯管的应力比率,校核了应力允许值;分析得出,轴向地震作用与综合地震作用对管道影响较大,应重点校核管道的轴向地震与综合地震作用下的应力变化,并加强监测力度;通过对油气管道的位移校核得出,轴向地震作用与综合地震作用对隧道内油气管道的位移影响较大;地震作用下隧道内轴向位移较其他两方向位移较大,应重点监测。对斜管长度、覆土深度、管道内压等影响因素进行研究得出:架空段管道长度与倾角、地震烈度、管道运行温度与管道内压对穿越地震带隧道管道应力影响较大;而覆土段管道长度与倾角、覆土深度对管道影响较小。     

U型钢板桩的X射线法表面残余应力研究

由于对尺寸要求较为严格,因此钢板桩内部的残余应力会对其产品总体质量产生较大影响.采用X射线方法对U型钢板桩二分之一长度和四分之一长度位置的表面残余应力进行了测试.详细说明了X射线残余应力测试原理,试验设备和测试过程,给出了钢板桩应力分布状况.采用全释放法测试了对应点位的残余应力值,比较了X射线法和释放法之间的差距.结果表明X射线方法和全释放法所测数值较为接近,两个位置上的应力分布状态基本一致,钢板桩中部腹板位置呈现压应力,而两边板应力较小.     

弹体侵彻过程中装药温升的近似分析

对侵彻过程中内部装药轴向应力和变形进行理论分析,并考虑装药的弹塑性变形,得到轴向应力 和形变量沿着装药轴向分布函数,以内壁与装药摩擦生热和热传导为基础,得到装药温度的分布曲线、最高温 度在装药中的相对位置。计算结果表明,装药最高温升以及最高温升在装药中的位置与炸药的物性参数、装 药长度和过载最大值相关,临界装药长度可作为弹体装药设计的参考,计算结果为弹体侵彻过程中的装药设 计和安全性分析提供理论依据。     

管道体积型缺陷复合材料补强的试验模拟研究

为分析管道体积型缺陷屈服前后复合材料缠绕层分担载荷的差异,在材质为X60钢、外径为508mm、壁厚为8.7mm的管件上预制深厚比约为70%的体积型缺陷,并进行低压水压试验,分析缺陷及完整管壁在弹性阶段的应力分布特点。采用玻璃纤维复合材料补强管道缺陷再次进行试验,分析试验压力上升时,管道缺陷发生塑性变形的水压值及应变响应趋势;采用水压试验结果验证有限元模型的准确性后,应用数值模拟分析管件缺陷屈服前后复合材料作用的差异。研究表明:对含体积型缺陷的管道,缺陷区域在内压作用下形成局部弯矩;复合材料缠绕层可以有效抑制这一弯矩,使弹性阶段局部弯矩的最大降幅超过50%,提高了缺陷发生屈服的压力;缺陷区域屈服之后,复合材料缠绕层分担环向载荷,对缺陷管壁的局部鼓胀具有约束作用,使补强管道沿剩余壁厚的应力分布不均匀度降低,约为未补强管道的一半,提高了管道的承载能力。     

不规则蜂窝材料在单向荷载作用下的蠕变屈曲分析

采用Norton蠕变理论和自由能守恒原理,分析了垂直与倾斜壁厚不等的非正六边形不规则蜂窝材料在面内单向应力作用下的蠕变屈曲行为,得到了蠕变屈曲临界应力与蠕变屈曲失效时间之间的函数关系.讨论了加载应力、初始缺陷、不规则蜂窝材料孔穴壁的厚度、长度与倾斜壁倾角对蠕变屈曲失效时间的影响.     

15×10~4m~3超大型油罐应力测试与数值模拟分析

兰州原油末站大型油罐群,是我国首次在饱和黄土地基修建的大型储油设施。依托其中一座15×104 m3超大型非锚固油罐,开展了现场充水测试罐壁静态应力的试验研究。通过粘贴在油罐罐壁的应变计,测试充水过程中罐壁应力的变化规律,并采用有限元对15×104 m3超大型油罐进行应力分析。测试结果表明:罐壁的环向应力随充水水位的增加基本呈线性关系。数值模拟计算表明,罐壁环向应力最大值发生在第二圈罐壁和第三圈罐壁相连接的位置。由于罐壁上部设置了抗风圈和加强圈,有效地控制了罐壁的径向位移,使罐壁环向应力和竖向轴向应力在加强圈和抗风圈附近发生波动。将有限元数值模拟计算的罐壁环向应力分布情况与实测应力进行比较,两者总体吻合较好。上述研究结果可为超大型储罐在黄土地基的设计和建造提供技术依据和设计参数验证。     

动能深侵彻弹的力学设计(I):侵彻/穿甲理论和弹体壁厚分析

在作者先前工作的基础上,进一步明确了适合于动能深侵彻弹的撞击函数和弹体几何函数的有效范围,可用于相关弹体结构的力学设计。同时从理论上研究了弹体的抗压/拉和抗弯能力,分别从抗压/拉和抗弯两方面来确定动能深侵彻弹弹体的极限壁厚。针对不同撞击速度的细长中空弹体斜侵彻混凝土靶,分析得到不出现弯曲破坏的弹体最大临界斜角和壳体壁厚下限,并给出弹体抗弯能力的最薄弱位置。对弹体的壳体厚度、局部加固和焊接位置提出建议。     

动能深侵彻弹的力学设计(I): 侵彻/穿甲理论和弹体壁厚分析

在作者先前工作的基础上，进一步明确了适合于动能深侵彻弹的撞击函数和弹体几何函数的有效范围，可用于相关弹体结构的力学设计。同时从理论上研究了弹体的抗压/拉和抗弯能力，分别从抗压/拉和抗弯两方面来确定动能深侵彻弹弹体的极限壁厚。针对不同撞击速度的细长中空弹体斜侵彻混凝土靶，分析得到不出现弯曲破坏的弹体最大临界斜角和壳体壁厚下限，并给出弹体抗弯能力的最薄弱位置。对弹体的壳体厚度、局部加固和焊接位置提出建议。     

单排弹性空心管桩屏障对平面P波的隔离

由于桩体的长度远大于直径,因此将单排弹性空心管桩构成的非连续屏障对平面P波的隔离问题简化成二维平面问题,采用波函数展开法和Graf加法定理,根据桩-土界面处完全联结和管桩内壁完全自由的边界条件,得到了问题的理论解。引入无量纲位移和透射系数等概念,通过数值计算,分析了弹性空心管桩的壁厚、桩土模量比、管桩间距和管桩数量对屏障对平面P波隔离效果的影响,结果表明：隔离效果随着管桩壁厚和桩间距的减小而提高;隔离效果随着桩土模量比的增大而提高,但当桩土模量比大于500后,隔离效果提高不明显,此时可等价为刚性屏障;随着管桩数量的增多,最佳隔离区域在增大,最佳隔离位置在前移。为非连续屏障的隔振设计提供了理论依据。