复合材料立管抗屈曲能力的提高方法

由于复合材料具有高比强度、设计性强、扰腐蚀性能好等优点,而广泛应用于海洋立管中,但是复合材料立管设计还不够成熟。本文为探究提高复合材料立管抗面压屈曲能力的方法,研究了复合材料结构参数对复合材料立管抗面压屈曲能力的影响,发现铺层数和铺层角对其抗面压屈曲能力有较大影响。其后对复合材料立管增加止屈器,结果表明止屈器可以较大幅度提高其抗面压屈曲能力。对今后研究复合材料立管抗屈曲能力提供一定的指导意义。     

深水海底管道止屈器设计研究

随着水深的增加,深水海底管道由于外压导致压溃、屈曲及屈曲传播的可能性大大增加.深水海管设计中,通常采用止屈器来控制海管由于较大的外压可能造成的压溃及屈曲传播.止屈器的主要作用是:在管道受外压的条件下,一旦发生压溃屈曲并发生屈曲传播时,将屈曲传播的破坏限制在一定管道长度范围内.该文进行了深水海底管道止屈器设计研究,并基于有限元模型进行了管道的屈曲和屈曲传播分析.     

带止屈器的复合材料圆柱壳结构屈曲分析及优化

针对海洋工程上的复合材料圆柱壳结构,基于有限元软件ABAQUS,利用Python语言编程实现参数化建模、屈曲分析以及在后处理中提取屈曲因子。研究复合材料圆柱壳结构在单独受到轴向压力、侧向压力以及两种压力组合作用下止屈器的位置对屈曲极限强度的影响,并利用遗传算法多参数优化的方法对止屈器的位置进行优化,最终找到最优解。研究结果可以为复合材料圆柱壳结构抵抗屈曲失效的优化设计提供参考。     

壁厚所致几何不连续性对卷管法安装管道的影响

对于深水管道,止屈器起到了很好的防止屈曲传播的作用,但是在卷管法安装中,管道在上卷和退卷的过程中将产生塑性变形,而由于止屈器导致的管道壁厚几何不连续性将使局部管段的变形增大,可能加剧塑性变形的影响。针对这个问题,建立ABAQUS非线性有限元模型模拟管道安装过程,研究上述问题对卷管、铺管中管道性能的影响并作参数敏感性分析。结果表明:壁厚所致几何不连续性的存在导致卷管安装时管道局部曲率和应变明显增大;增加回拉力可降低上述不连续性的影响,但管道残余椭圆度也将增加;增大卷筒半径或减小管道直径将使不连续性的影响降低;增大管道壁厚可降低不连续性的影响,但会增加建造成本。文章研究结论可为卷管法安装中管道设计提供理论指导。     

轴压复合材料柱形壳屈曲特性

以单立柱固定式海洋平台的柱形壳桩腿为研究对象,得到复合材料柱形壳较为合理的结构尺寸、铺层方式,提高其轴向承载能力.首先,通过碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)材料单轴拉伸试验得到复合材料柱形壳试验样本的材料属性,用于柱形壳的计算与分析.其次,基于复合材料薄壳理论,得到轴压复合材料柱形壳屈曲临界载荷解析解,对比线弹性屈曲有限元分析,验证了理想柱形壳有限元模型建立的正确性.再次,由复合材料柱形壳缺陷测量试验得到其初始几何缺陷,由轴向压缩试验得到其轴压屈曲特性,对比非线性屈曲有限元分析,验证了缺陷柱形壳有限元模型建立的正确性.最后,结合线弹性屈曲分析结果,引入模态缺陷,从线弹性和非线性屈曲分析两个方面,研究铺层角、铺层数、各层纤维厚度、几何尺寸对复合材料柱形壳轴向承载能力的综合影响规律,得到各模型的屈曲特性与缺陷敏感性.从生产制造与工程实际出发,建立一种系统的CFRP型复合材料柱形壳设计计算流程、失稳分析方法,对于复合材料柱形壳的设计、校核、优化具有指导性作用.     

国外海底管道屈曲传播及止屈试验技术综述

海底管道屈曲传播机理极其复杂,涉及到弹塑性稳定后屈曲问题,须通过大量的试验进行研究.文章概述了国内外海底管道屈曲传播理论研究发展历程,着重介绍了国外在海底管道屈曲传播与止屈试验技术方面的研究,总结和评述了国外相关试验装置的特点,探讨屈曲传播压力、传播速度、止屈效率等关键因素的试验测定方法,并指明了管道屈曲传播与止屈试验技术的发展方向,为海底管道屈曲传播及止屈试验设计提供指导.     

海底管道屈曲传播及止屈试验技术研究综述

海底管道屈曲传播机理极其复杂,涉及到弹塑性稳定后屈曲问题,现有屈曲传播理论尚处于探索阶段,须通过大量的试验进行研究。本文概述了国内外海底管道屈曲传播理论研究发展历程,着重介绍了国外在海底管道屈曲传播与止屈试验技术方面的研究,总结和评述了国外相关试验装置的特点,探讨屈曲传播压力、传播速度、止屈效率等关键因素的试验测定方法,并指明了管道屈曲传播与止屈试验向全比例、多载荷、动态化发展的研究方向,为海底管道屈曲传播及止屈试验设计提供指导。     

海底管道整体式止屈器模型试验与数值模拟

整体式止屈器是一种必备的海洋工程装置,它在阻止海底管道屈曲传播和保证海底管道安全运行方面发挥着重要的作用,而穿越压力是其设计和安装的重要的技术参数。为了得到更准确的计算结果,采用模型试验和数值模拟的方法,对整体式止屈器穿越压力公式重新进行设计。将得到的计算公式与其他经典计算方法进行对比,验证了穿越压力计算的准确性,它对整体式止屈器的工程设计和建造具有指导意义。     

壁厚所致几何不连续性对卷管法安装管道的影响

对于深水管道,止屈器起到了很好的防止屈曲传播的作用,但是在卷管法安装中,管道在上卷和退卷的过程中将产生塑性变形,而由于止屈器导致的管道壁厚几何不连续性将使局部管段的变形增大,可能加剧塑性变形的影响。针对这个问题,建立ABAQUS非线性有限元模型模拟管道安装过程,研究上述问题对卷管铺管中管道性能的影响并作参数敏感性分析。结果表明,壁厚所致几何不连续性的存在导致卷管安装时管道局部曲率及应变明显增大;回拉力、管径与卷筒直径之比及管道壁厚等参数也将产生影响。另外,增加回拉力可降低上述不连续性的影响,但管道残余椭圆度也将增加;增大卷筒半径（或减小管道直径）将使不连续性的影响降低;增大管道壁厚可降低不连续性影响,但随之建造成本也将增加。本文研究结论可为卷管法安装中管道设计提供理论指导。     

弯曲载荷下双金属机械复合管内衬层屈曲失效机理

双金属机械复合管是油气田集输管线防腐控制的主要措施之一,而内衬层的失效是制约复合管工程应用的关键难题。为研究双金属机械复合管内衬层屈曲失效机理,建立弯曲载荷下复合管力学模型,研究成型压力、工作内压及复合管结构参数对内衬层失效模式的影响规律。结果表明：增加成型后的残余接触压力有助于提高内衬层的抗屈曲能力;较高的工作内压能够延缓内衬层屈曲时间,减小其褶皱幅值;成型前复合管层间初始间隙减小有利于提高内衬层抗屈曲能力;随着外基管壁厚、内衬管壁厚、复合管内径的增加,内衬管的抗屈曲能力增强。     

碳纤维缠绕复合材料在潜水外压容器上的应用

在铝合金圆筒体以外以浸渍树脂碳纤维进行缠绕复合增强，可大幅度提高筒体的耐静水外压能力，整体缠绕的全复合材料筒体，在耐静水外压能力及减轻自身重量方面也获得了明显的效果。此外，在铝合金细长圆管的外壁复合缠绕纤维，能有效地提高圆管对轴向压载荷的抗失稳与抗屈曲破坏能力。     

压电材料直杆后屈曲的一个摄动解

考虑横观各向同性压电材料制成的压电杆的稳定性问题，将压电杆两端简支且沿杆长方向极化并施加压力，根据变分原理导出该杆的屈曲控制方程和相应的边界条件；利用摄动法求得非线性控制方程的解，并给出该杆的压屈临界载荷(分岔点)和后屈曲路径。结果表明：压电杆的压屈临界载荷以及后屈曲路径与电场并无关系，但屈曲的发生将导致轴向位移和杆两端电压的改变。虽然电场对这种压屈问题无法取得稳定性控制，但可以检测屈曲的发生和屈曲程度。     

复合材料圆柱壳声目标强度数值分析

为研究复合材料圆柱壳的声散射特性,本文基于有限元法,并结合AML技术,计算并分析水下空气背衬条件下复合材料圆柱壳铺层角度、纤维层数和壳厚比对复合材料圆柱壳声目标强度（ TS）的影响规律。结果表明：低中频时,圆柱壳铺层角度对TS影响较大;高频时,铺层角度对TS影响趋于一致;纤维层层数对TS影响不大;一定范围内,壳厚比越小,声目标强度值越小。     

复合材料圆柱壳声目标强度数值分析

为研究复合材料圆柱壳的声散射特性,本文基于有限元法,并结合AML技术,计算并分析水下空气背衬条件下复合材料圆柱壳铺层角度、纤维层数和壳厚比对复合材料圆柱壳声目标强度(TS)的影响规律。结果表明:低中频时,圆柱壳铺层角度对TS影响较大;高频时,铺层角度对TS影响趋于一致;纤维层层数对TS影响不大;一定范围内,壳厚比越小,声目标强度值越小。     

船体复合材料帽型加筋板渐进破坏分析

复合材料加筋板复杂的破坏过程与失效形式增加了应用难度。以面外均布载荷与面内压缩联合作用下的夹芯复合材料帽型加筋板为研究对象,在通过试验结果验证非线性有限元方法准确性的基础上,基于复合材料的hashin准则与胶层界面的最大应力准则展开渐进破坏分析,讨论了极限载荷、破坏模式及失效机理。采用有限元子模型技术对中段破坏区域建模,基于Shokrieh-Hashin准则进行局部破坏分析,讨论蒙皮的铺层损伤规律。结果表明:加筋板呈整体一阶屈曲破坏,极限载荷为316.8 kN;壁板下蒙皮的纤维压缩失效是导致加筋板整体破坏的原因;各铺层的面内失效规律基本相同,蒙皮的纤维压缩失效从外层逐渐向内层扩展,且扩展速率逐渐降低。     

船体复合材料帽型加筋板渐进破坏分析

复合材料加筋板复杂的破坏过程与失效形式增加了应用难度。以面外均布载荷与面内压缩联合作用下的夹芯复合材料帽型加筋板为研究对象,在通过试验结果验证非线性有限元方法准确性的基础上,基于复合材料的hashin准则与胶层界面的最大应力准则展开渐进破坏分析,讨论了极限载荷、破坏模式及失效机理。采用有限元子模型技术对中段破坏区域建模,基于Shokrieh-Hashin准则进行局部破坏分析,讨论蒙皮的铺层损伤规律。结果表明:加筋板呈整体一阶屈曲破坏,极限载荷为316.8 kN;壁板下蒙皮的纤维压缩失效是导致加筋板整体破坏的原因;各铺层的面内失效规律基本相同,蒙皮的纤维压缩失效从外层逐渐向内层扩展,且扩展速率逐渐降低。     

一种新型复合舱壁结构的静力优化设计方法

针对一种新型的复合舱壁结构开展静力学分析和优化设计。首先求解了复合舱壁在横向载荷作用下的挠曲面近似表达式;其次将复合舱壁的屈曲解耦为钢板的屈曲和层合板的屈曲,并提出了两者屈曲载荷的匹配关系;最后,以重量最小为优化目标,开展了复合舱壁的静力学优化设计,建立了优化数学模型,并提出了优化流程：首先对层合板的铺层角度进行优化,然后根据钢板和层合板屈曲载荷匹配的原则,确定钢板和层合板的厚度,最后进行弯曲性能的优化,确定陶瓷绵的厚度。     

波流耦合作用下海洋柔性立管防弯器动力响应数值分析

基于三维动态时域分析软件OrcaFlex建立防弯器与立管耦合响应模型,对柔性立管防弯器在波流耦合作用下的动力响应进行了参数敏感性分析,结合分析结果对柔性立管防弯器系统进行优化布局,并分析了流向变化和浪向变化对弯矩的影响。结果表明,靠近立管与浮体或水下设备固结点的曲率和弯矩大,随着远离固结点,曲率和弯矩呈递减趋势。海流方向变化对立管和防弯器曲率和弯矩的影响较浪向变化更大。底部立管和防弯器弯矩高于顶部,需格外注意。防弯器曲率与立管曲率基本一致,但弯矩高出很多,达到了防弯器保护立管承载过度屈曲的目的。     

复合材料剪切圆柱壳在轴压下的屈曲与后屈曲

给出了非对称正交铺层剪切圆柱壳广义Donnell型大挠度方程,并运用位移型摄动技术构造出该圆柱壳在轴压作用下的后屈曲渐近级数解.为保证边值问题摄动解的一致性,本文研究了边界效应对中短圆柱壳的影响,亦即运用奇异摄动技术详细分析了该圆柱壳端部边界层方程和奇异摄动解.并讨论了横向剪切变形、Batdorf数、弹性模量比和初始几何缺陷对圆柱壳屈曲与后屈曲性态的影响.比较显示,横向剪切变形对圆柱壳的屈曲与后屈曲有重要影响.     

深海复合材料悬链线立管基于可靠度的优化设计

研究基于可靠度的方法,对深海复合材料悬链线立管进行优化设计分析。对于正交各向异性层合复合材料结构而言,叠层顺序不同、各层铺角变化以及层间厚度差异等都会影响到结构的承载能力,因此,有必要引进可靠度作为优化设计指标。首先,根据经典层合板理论计算整体模型的等效属性,建立悬链线立管整体分析模型,得到关键截面响应,以此作为局部分析模型的约束;然后,运用试验设计方法构建Kriging近似模型;最后,利用蒙特卡罗撒点方法对比分析确定性优化与可靠性优化的结果。研究表明：优化后的深海复合材料立管在满足应力强度设计的要求下可有效降低结构重量,所提出的基于可靠度的优化设计复合材料悬链线立管具有可行性。