平板弹塑性分析的杂交应力三角形有限单元

本文提出了采取分区域混合使用虚力原理和虚位移原理的方法推导有限元杂交模型,并用这种方法具体导出了一种增量型的杂交应力分层三角形板单元.本单元,导出时用了作者们早先给出的正交各向异性体增量型的塑性应力应变关系,并且以E.Reissner 厚板理论为基础,可用于对工程上各种厚度的板(壳)进行弹塑性分析.文中提出的混合使用虚力原理和虚位移原理的方法可使许多无变分原理的问题直接建立杂交模型.     

RCCD温度应力分析的非均匀单元方法

本文根据碾压混凝土坝的施工特点提出的非均匀模型和等效均匀模型能显著提高碾压混凝土坝温度应力分析的计算效率，并有与常规方法相同的计算精度．     

洪水作用下马惠宁穿越管道的应力分析

马惠宁管道沿线属于典型的洪灾易发区,洪水多次导致管道暴露悬空进而断裂,造成巨大的经济损失。本文以马惠宁管道为例,基于Morison方程建立了简化的力学模型,采用有限元仿真进行了静力学分析,对管道应力分布特点、极限悬空长度与极限洪水流速的相互关系,以及管道壁厚等影响因素进行了分析。据此确定最有可能发生失效的位置是出土端面和悬空管道中点位置,且应力与管道壁厚之间关系紧密,当管道径厚比超过55时,管道对洪水冲击的抗性非常小。在进一步的涡激振动分析中,得出管道最易发生共振现象的危险长度为20m。最后以快涨快消型洪水为例,通过隐式动力学分析法,对管道展开时程分析,探讨了静力学分析的局限性。基于以上结论,提出打桩固管的桩距标准:若悬空段长度不足20m,在管道1/2位置打桩;否则每隔10m打桩1个。     

考虑管土耦合的机坪垂直管道应力分析

机坪输油管网供油是目前民用航空领域供油的主要方式之一.实际工程中,机坪管网垂直管道受混凝土道面移位作用容易产生变形甚至破坏.为了解机坪垂直管道变形乃至破坏的机理,通过ANSYS软件对多种规格和底部三通连接方式的机坪垂直管道进行了有限元分析,管道和填埋土层之间的相互作用采用P-y曲线法进行模拟.通过室内物理模型实验校核并调整了P-y曲线参数.研究表明,除底部三通外,填埋土层约束下垂直管道也出现了一个高应力区,应力分布状况只与填埋土层分布和混凝土道面移位量有关.最后通过现场案例分析,给出了管道破坏点位置,与现场检测结果相符.     

弹性压力管道和周围粘弹性介质的应力分析

如图所示,受均布内压力的圆筒埋在无限大介质中,这是工程技术中常见的一类问题,例如压力隧洞和坝内水管等.对于圆筒和介质都是理想弹性体的情况,弹性理论已经作过研究,导出过圆筒和介质的应力计算公式.然而,在许多情况下,把介质看作粘弹性体则更为切合实际,这时应力分量将随时间t而变化. 假定材料都是均质各向同性的,略去体力,且规定拉应力为正.设圆筒的内半径为R_1,外半径为R_2,受内压力q△(t),△(t)为Heaviside函数.取圆筒中心为极坐标原点.如果粘弹性     

基于PSO–GPR含缺陷管道失效应力预测

传统对含缺陷管道失效应力的预测方法存在误差偏大的问题。针对该问题,利用MATLAB软件建立基于PSO–GPR（particle swarm optimization–Gaussian process regression）含缺陷管道失效应力预测模型。通过对60组含缺陷管道的试验数据进行测试,发现预测结果与实测结果均在95%置信区间内,表明可以将均值作为预测结果。对预测结果进行分析表明：高斯过程回归的预测结果与实测结果的最小相对误差为0.003%,最大相对误差为1.205%,平均相对误差为0.319%,基于预测结果和实测结果的散点均落在曲线y = x的 ±1.3%误差带中,验证了高斯过程回归预测模型的准确性,为管道的工程实际应用与维修提供较为精准的判断依据。

     

应力强度因子分析的三角形Williams单元

弹性断裂分析的Williams广义参数单元计算模型中忽略了紧邻裂尖的微区域,为了进一步完善该计算模型,本文提出并建立了三角形Williams单元。首先围绕裂尖将奇异区均匀分割为有限个三角形单元,利用改进的Williams级数建立该单元的整体位移场计算模型;其次沿径向将该三角形单元进一步离散为多个相似四边形微单元和裂尖三角形微单元,并利用经典有限元理论建立微单元的局部位移场计算模型;然后利用整体位移场控制各微单元结点位移,并在此基础上研究建立裂尖奇异区三角形Williams单元及其控制方程。该单元模型中含有与裂尖应力强度因子相关的参数,能够直接计算裂尖处的应力强度因子。最后结合算例详细分析了三角形Williams单元计算模型中径向离散因子、离散数、Williams级数项对计算结果的影响。算例分析表明,三角形Williams单元所得的应力强度因子具有对奇异区尺寸不敏感的优点,且收敛快,计算精度高。     

澜沧江跨越管段天然气管道落石条件下应力分析

澜沧江跨越管道工程的跨越区山体高耸挺拔、地势险峻,两岸陡崖上分布有危岩及崩塌堆积体,其地理位置极易受到崩塌落石危害,落石冲击作用会造成管道刮痕、压坑,引起管道变形失稳甚至破裂,造成油品泄漏。本文以澜沧江跨越段管道及两岸落石为研究对象,首先运用Roc Fall软件建立落石运动路径数值模拟模型,分析落石质量对落石运动过程的影响,并探究了不同质量落石撞击管道时,落石携带的最大动能等特性参数影响规律;然后运用CAESAR II软件对澜沧江跨越段天然气管道进行分析,确定会使其处于危险(或被破坏)状态的落石质量阈值。分析结果可为澜沧江跨越管道落石灾害防护和管道安全运营决策提供科学建议,也可以为地理条件与澜沧江管道相似的管道工程设计、敷设施工、上方危岩防护规划提供指导和借鉴。     

不耦合爆破技术在高应力区域卸压效果

为了研究不耦合爆破技术在巷道高应力区域的卸压原理及效果,采用室内实验和现场验证相结合的方法开展了研究。研究结果表明:在承压试件的爆破实验中,爆破对承压试件具有明显卸压作用,但由于碎胀应力的存在使爆破后应力恢复速率有所升高,因此提出爆破与排粉预裂钻孔联合卸压方法。对现场高应力区域巷道帮部卸压效果进行验证的结果表明,该方法对缓解巷道近场高应力集中具有较好效果。     

可计算厚度方向应力的壳单元

在板料成形数值模拟中通常使用壳单元,然而,传统的壳单元在计算“回弹”(弹性恢复)变形时精度很差,其原因之一是由于这些壳单元忽略了厚度方向的应力而代之为平面应力条件。为了改善这个缺陷,本文提出的壳单元,通过构造厚度方向的二次形函数引入厚度方向的变形,使得三维本构关系可以不经任何改变被直接使用,并且壳上、下表面的载荷对厚度方向应力的影响也能较好地表现出来。通过几个数值算例证明该壳单元对弹塑性大变形问题分析是有效的。     

基于形状摄动技术的边界单元法

本文提出了考虑形状摄动时的边界元技术,它可以评价不确定形状结构的统计特性。为了证明本方法的有效性,列举了两个数值例题,计算结果表明,该方法完全可信。     

基于广义协调技术的剪力墙超单元

基于广义协调概念构造了可开洞的子结构式剪力墙超单元.该单元通过广义协调条件来实现墙与墙之间的协调性,这就导致墙元网格剖分的局部化,从而可在分析中容易地兼顾协调性、良态的单元以及粗细适度的网格尺寸.另外特别讨论了墙梁交接问题,并给出了正确的处理方法.该单元在复杂空间结构分析软件PMSAP中实现并在大量实际工程计算中应用,显示了良好的精度和适应性.     

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。     

计算应力强度因子的奇异等参单元

用有限单元法计算裂纹顶端应力强度因子,来反映顶端应力的奇异性,导致于裂纹顶端特殊单元的应用发展很快。当反映裂纹顶端应力奇异性的奇异元与外围普通元混合运用时,奇异元有一最佳尺寸。对于不同的问题,最佳的单元尺寸也不同,这就是说,裂纹顶端单元的尺寸对计算结果有明显影响。如果裂纹顶端单元太大则计算误差大;如     

热障涂层界面微区域热蠕变应力演化分析

热障涂层热循环载荷下不同界面层蠕变特性是影响界面微区域残余应力变化的关键因素,探究热障涂层蠕变与残余应力的关系有助于提高热障涂层的稳定性.以热弹塑蠕变理论为依据,采用Norton蠕变模型,建立陶瓷层、氧化层、粘接层和基体四层几何分析模型,考虑不同层蠕变和蠕变程度因素,研究热循环载荷作用下涂层界面微区域应力演化规律.结果表明,蠕变参数和蠕变层数的变化影响热障涂层界面残余应力的大小和分布,这对预测热障涂层失效具有指导意义.     

基于自然单元法的极限上限分析

自然单元法是一种基于离散点集的Voronoi图和Delaunay三角化几何信息,以自然邻近插值为试函数的新型数值方法.相对于一般无网格法中常采用的移动最小二乘近似而言,自然邻近插值不涉及到复杂的矩阵求逆运算,更不需要任何人为的参数,可以提高计算效率.采用该方法构造的形函数满足Delta函数的性质,可以像有限元一样准确地施加边界条件,可以方便处理场函数及其导数的不连续性的问题.论文将自然单元法应用到极限上限分析中,编制了相应的计算程序,通过极限分析的几个经典算例进行了验证,同时采用类似于分片应力磨平的方式,编制相应的磨平程序,由计算点上的塑性耗散功外推得到了节点上的塑性耗散功的值,从而画出了极限状态下结构的塑性耗散功的分布云图.计算结果表明采用自然单元法求解极限上限分析具有稳定性好,精度高,收敛快等优点.     

应力波在管道中传播的实验研究

实验研究了轴对称加载条件下,在有、无缺陷的管道中应力波的传播特性。实现了在非弥散频率范围内单模态应力波的激励;在无缺陷的情况下研究了应力波的反射、衰减等;同时研究了缺陷前后不同点、距缺陷一定距离的同一截面上的多点对激励的响应。结果表明,由于在波的传播过程中衰减相对较小,这种方法有望实现管道的长距离缺陷检测。     

孔洞对平面裂纹应力强度因子影响分析的广义参数Williams单元

本文采用圆形奇异区广义参数Williams单元（W单元）建立了中心裂纹与圆孔共存的平面应力模型,奇异区外围利用ABAQUS有限元软件自动网格离散技术与FORTRAN95编程前处理相结合,克服了自主编程中网格离散的局限性．算例分析了圆孔位置和几何参数对I-II混合型裂纹尖端应力强度因子(SIFs)的影响,并与扩展有限元法(XFEM)计算结果进行比较．结果表明：靠近圆孔一侧的裂尖SIFs大于远离圆孔一侧的裂尖SIFs;控制圆孔左边缘到裂纹中心的距离,则两侧裂尖SIFs随圆孔半径的增大而增大;圆孔中心与裂纹中心水平距离越远,圆孔对裂纹扩展的影响越小．同时,基于圆形奇异区的W单元直接计算得到的裂尖SIFs与扩展有限元法得到的解吻合较好,证明了W单元对奇异区离散形状不敏感,且具有高效率和高精度．     

基于Hoek-Brown准则的破裂围岩应力分析

深部煤矿巷道在高围压的作用下,围岩普遍出现破裂,而且围岩破裂范围在扩大的同时,往往出现继续破坏的现象,并形成不同的分区.论文针对长的圆形巷道,将围岩分成破裂、塑性和弹性三个区域,采用Hoek-Brown准则,进行非关联弹塑性分析,获得了其应力和变形的封闭解析解,并说明该解析解是不唯一的.通过利用在弹塑交界处应力连续的条件、以及在破裂和塑性交界处径向应变连续的条件,获得了确定围岩破裂区和塑性区半径的解析算式.最后,通过算例并分析了破裂区和塑性区应力和应变的分布特点、以及破裂区范围的影响.利用所获得的结果,可以为巷道的稳定性分析以及支护设计提供理论依据.