考虑结点耗能的导管架平台的动力响应分析

为了降低导管架平台的动力响应，可在导管架平台的连接结点之间加入能量耗散材料。本文以将管接点和能量耗散材料理想化为由转动弹簧和转动阻尼器并联组成的等效单元，结合有限元和动力刚度法推导了其刚度、质量和阻尼矩阵。采用复模态分析和虚拟激励法分析了三维导管架平台的动力特性和随机地震响应，讨论了刚度系数和转动阻尼系数对动力特性和减震效果的影响。算例结果表明，适当选择转动阻尼系数可显著增加结构模态阻尼比和降低结构地震响应。此单元可方便地与通用的结构有限元程序配合，对三维平台结构进行动力分析。     

焊接管结构的非线性推覆简化模型

有限元分析方法中,采用三维实体单元对焊接管结构进行离散是最为精确的建模方法,但对三维实体模型分析时会划分大量单元,导致计算时间冗长。工程中常把焊接管结构简化为刚架模型,即刚性连接的杆系系统。这种建模方式忽略了节点的局部柔度,过高地估计了整体结构的刚度,使计算结果偏于危险。为解决上述问题,在节点处引入虚拟梁单元,使其等效模拟节点的局部变形,还原支管真实长度。为了验证节点柔度对焊接管结构的影响,对典型的焊接管结构缩尺,进行了推覆试验。分别采用壳单元模型、刚架模型及引入虚拟梁单元的简化模型进行有限元模拟,并与试验结果对比分析。结果表明,刚架模型会过高的估计焊接管结构的刚度,而简化模型计算结果与壳模型、试验结果较为吻合。     

具有失真性变形与凹坑耦合损伤的海洋平台桩腿有限元分析

采用有限元分析方法,建立了有失真性变形与凹坑耦合损伤桩腿的等效梁和管单元刚度矩阵的计算方法。为检验方法的正确性,使用该方法对几种抽伤构件进行了强度计算,并与有限元细化网格计算结果和实验结果进行比较,结果表明,三种结果符合很好。最后,将等效单元计算程序接入大型有限元程序Super SAP,然后对受损后的平台整体结构进行了应力计算和强度分析。     

船舶与海洋平台撞击的荷载模拟

以某导管架结构的X斜撑在导管架安装阶段受到大吨位起重铺管船撞击后的损伤检测结果为依据。对碰撞过程进行了数值模拟，按照构件模型从简单到复杂的模拟思路得到了船舶对海洋平台结构的撞击力。建立了船舶与海洋平台碰撞系统的力学模型，对导管架平台受损构件进行了等效静力强度计算分析。为了考虑在船舶冲撞下的整体平台结构动力效应的影响，在分析时考虑了碰撞过程的水动力效应，桩-土-平台结构的相互作用，采用非线性弹簧来模拟受损构件局部凹陷损伤，在船舶以不同的速度与平台发生碰撞的情况下，模拟出平台受撞击构件的永久凹陷变形与碰撞接触时间的曲线．反演分析计算了船舶对平台结构碰撞的最大撞击力。为确定受到撞击后导管架平台结构构件和管节点的损伤程度，提出合理可行的修理加固方案提供了分析依据。     

基于柔度矩阵曲率范数差的结构损伤识别方法

基于模态柔度矩阵曲率范数差构造了一种损伤识别新指标。首先对损伤前后柔度矩阵按列、行分别求两次曲率,再对曲率矩阵的列向量求2-范数差,得到2-范数下各节点的损伤定位指标值。根据梁式结构刚度和位移曲率的负相关关系,推导出准确定量损伤程度的理论表达式,对单损伤和相邻多损伤进行了损伤定量分析。基于串联弹簧原理,提出了等效损伤程度分析模型,建立了测点间梁单元局部损伤与全损伤之间的损伤程度对应关系。采用某三跨连续梁用作仿真算例,结合已有的均匀荷载面曲率差指标,并考虑多种损伤工况,对指标进行对比分析,结果表明该方法仅需低阶模态参数即可进行损伤检测,且具有较好的抗噪声能力。采用对比测点间梁单元局部损伤与全损伤工况基频的方法,验证了所提等效损伤程度计算方法的合理性。     

非节点连接有限元及其在加筋结构中的应用

针对现有加筋结构有限元模型的不足,提出了自由度层次的非节点连接方法.加筋单元的各节点可位于一个或多个其它单元内部,内节点的自由度无需全部与母单元的位移场一致;通过在节点坐标系下对内节点设置独立自由度,可模拟加筋构件与基体材料之间的粘结滑移、无粘结和体外布置等位移不连续性.节点为内节点的单元的刚度矩阵和荷载向量利用虚功原理变换到对应于其广义自由度向量的形式,按照广义自由度的位置向结构整体刚度矩阵和荷载向量组装,以此实现单元问非节点位置的连接.利用开发的有限元软件计算了多个算例,验证了非节点连接方法用于加筋结构有限元建模的正确性和便利性.     

基于柔度的桁架结构损伤定位方法

建立了一种基于模态柔度的桁架结构损伤定位方法。从结构柔度矩阵与刚度矩阵的正交关系出发,将损伤结构在观测模态下的节点误差作为损伤定位的动力指纹,通过采用模态参数的一阶矩阵摄动技术,以近似解析的方式推导了本文方法的损伤定位原理。并且通过对一个典型桁架结构的数值模拟研究,验证了本文损伤定位方法的有效性和鲁棒性。研究结果表明,本文基于柔度的损伤定位方法能够在实际观测条件下,准确地识别桁架结构的损伤单元位置。     

海洋平台X型管节点应力集中系数计算

本文以海洋平台中X型管节点为例,以ABAQUS为分析工具,计算了管节点在主要加载方式下的应力分布,尤其关注几何学上的最危险地带——撑管和弦管交汇处的应力集中系数.根据有限元计算结果绘出应力集中系数曲线,并与其它学者所得到的结果进行了对比.结果表明,从一定的精度意义和应力分布趋势来看,本文所得结果具有可靠性.从X型接头可以推广至其他型式,为分析各种环境条件分别对平台管架结构应力集中的影响、推导各种载荷作用下的海洋平台导管架应力、弯矩参数方程奠定了基础.     

有限元软件中通用梁单元的统一形成方法

本文根据作者参与多个有限元软件开发的经验,讨论并给出了满足多种工程需求的通用梁单元的刚度矩阵及其单元载荷向量形成方法,特别是基于柔度法的Euler梁单元、Timoshenko梁单元和变截面梁单元的统一形成方式,以及不同梁端条件下的单元刚度矩阵与载荷向量的统一形成方式,便于工程有限元软件开发人员参考借鉴,并希望能对有限元方法的教学实践有所帮助。     

薄膜横向振动的有限元分析

构造了一种3节点三角形膜单元,以适用于平面薄膜横向振动的有限元分析.在给出单元形函数的基础上,根据最小势能原理建立了薄膜自由振动方程,并推导了单元刚度矩阵和单元质量矩阵.研究结果表明,单元刚度矩阵和单元质量矩阵形式简单,且自由度少;通过两个典型算例,证明3节点三角形膜单元的计算结果非常接近理论解,同时可以达到很高的精度...     

复杂节点冰激疲劳分析的高效谱分析方法

冰激疲劳是威胁渤海湾导管架平台安全的一个重要因素.由于疲劳分析需要考虑所有可能环境工况下的热点应力计算,因而往往是一个复杂而费时的过程,特别对于具有复杂节点的大型结构.本文提出了处理不规则复杂节点的冰激疲劳分析的高效谱分析方法,采用既可以考虑结构整体又可以模拟局部节点细节的混合有限元模型,并结合虚拟激励法来计算热点应力的功率谱密度,在保证精度的前提下大大提高了疲劳分析效率.最后通过一个实际平台的疲劳分析实例表明了方法的可行性和实用性.本文提出的方法也可以应用于受循环载荷作用的其他结构疲劳分析中.     

海洋平台管节点应力分析研究工作展望

本文在我国目前海洋平台管节点研究工作的基础上,提出今后管节点应力分析研究的几点意见,包括对复杂管节点及组合载荷作用下的研究,管节点静强度应从冲剪强度准则转向极限强度准则的研究,弹-塑性分析的研究,以及管节点局部变形的研究等.对上述研究方向的目的、意义及作法等提出了看法.      

钢管混凝土K型相贯节点试验研究与数值模拟

从钢管混凝土格构式风电塔架原型中取出节点模型,对5个K型焊接相贯节点进行了试验研究和理论分析,研究了不同几何参数条件下节点的破坏过程和特征、荷载-变形关系和承载能力等。建立了有限元模型,分析了各研究参数对节点破坏形态和极限承载力的影响规律,得到了节点失效机制的判别参数与准则。试验结果表明:圆钢管混凝土K型相贯节点在丧失承载力前弦杆的宏观变形特征不明显,腹杆失效是主要破坏形态;与空心圆钢管相贯节点相比,刚度大大增加,相贯线周围应力集中程度也降低。有限元分析结果表明:圆钢管混凝土K型相贯节点的控制破坏形态包括腹杆失效和弦杆冲剪破坏,控制破坏类型的关键指标是腹杆与弦杆的壁厚比τ和夹角θ。为避免钢管混凝土格构式风电塔架出现节点失效,须限制参数τ、θ的取值。本文建议τ≤1,θ≤45°。     

基于离散元-有限元模型的冰激锥体海洋平台结构振动分析

冰荷载是影响海洋平台结构及其上部设备作业安全的重要因素。针对海洋平台与海冰相互作用的动力过程,采用具有粘接-破碎性能的离散元方法(DEM)对海冰的破碎特性进行分析,采用有限元方法(FEM)对海洋平台结构的动力响应进行计算;同时考虑海冰与海洋平台结构的耦合作用,将海冰的离散元方法与海洋平台结构的有限元方法相结合,建立了冰激海洋平台结构振动的DEM-FEM模型,并由此计算海冰作用下海洋平台结构的振动响应以及冰荷载特性。     

基于时域自适应算法的单向粘弹性节理岩体的等效分析

在粘弹性节理岩体的数值仿真中,必需合理地计及节理的影响.若将节理与岩体作为独立的材料组分考虑,在节理密集的情况下,时空两方面的计算开销可能是很难承受的.本文通过时域展开技术与一个简单的等效假定,得到了递推格式的粘弹性单向节理岩体的等效本构关系,及等效场的递推求解格式,并由此数值模拟了一个粘弹性节理岩体中的洞室,计算结果与考虑独立组分的ANSYS粘弹性分析进行了比较,二者的计算平均误差约为11.03%,但前者的计算效率为后者16.81倍.本文工作有可能为粘弹性节理岩体的数值模拟提供一条新的途径.     

NUMERICAL ANALYSIS OF THE STRESS CONCENTRATION IN REVERSE K-JOINTS

逆K 型管节点广泛应用于海洋平台,其强度是平台结构安全评估的重要课题. 基于ANSYS 软件,应用分区域网格划分法,建立含焊缝的逆K 型管节点有限元模型,分别计算了在轴向载荷、平面内弯矩和平面外弯矩作用下焊缝周围热点应力的分布情况. 通过对105 组逆K 型管节点模型进行分析,获得了其在3 种基本载荷作用下沿焊缝的应力集中系数（stress concentration fctor,SCF）,并对主管和支管的SCF 分别进行研究,得出了几何参数对主管和支管的SCF 及极值位置的影响规律.     

基于疲劳损伤和倒塌事故的导管架平台结构风险分析

基于风险的检验技术已成为海洋工程领域的研究热点,其优势在于优化检验范围,减少检验成本。通过有限元方法对导管架平台结构的疲劳损伤和倒塌失效进行数值计算,并基于可靠性理论对平台结构关键构件的疲劳失效概率以及该构件疲劳破坏后平台结构的整体倒塌失效概率进行确定,形成风险矩阵,以制定相应的检验计划。在此基础上,对南海某导管架平台结构进行了定量风险评估,形成关键节点和构件的风险矩阵,并给出了相应的检验目标以指导制定检验计划。本文工作可为导管架平台结构制定合理高效的检验计划,在保障平台结构安全作业的同时降低运行费用。     

In-plane mechanical behaviors of 2D repetitive frameworks with four-coordinate flexible joints and elbowed beam members

The mechanical properties of an open-framework structure constructed of joints and beam members are strongly influenced by both its geometrical configuration and joint flexibility. This paper clarifies the relationship between joint flexibility and Poisson's ratio, which is a mechanical criterion for solid deformation, and discusses two types of in-plane anisotropic structures made up of four-coordinate flexible joints and elbowed beam members. Uniaxial tensile analyses estimate the linear and nonlinear elastic properties of these frameworks by applying straightforward joint modeling with multi-rotational degrees of freedom. The numerical results show that these proposed frameworks produce a variety of deformability dependent on the joint flexibility in auxetic deformation with a negative Poisson's ratio, the folding mechanics under kinematic indeterminacy, and the transition of Poisson's ratio between the positive and negative values. The geometrical and topological aspects of the obtained mechanical behaviors are discussed.