压力载荷下非粘结柔性立管应变影响因素分析

基于Abaqus/Explicit准静态和质量放大方法研究了一类典型非粘结柔性立管在压力载荷作用下应变响应特性,对影响立管整体轴向延伸率和绕轴向扭转角度的因素进行了分析。数值模型计入金属层实际截面形状、铺设角度以及几何、接触、材料非线性。计算结果表明：数值解与理论值吻合较好;立管端部边界条件对轴向延伸率影响不大但对绕轴向扭转角度影响较大;抗压铠装层为径向压力主要受力构件,其铺设角度虽然对压溃性能不大,但在应变分析中不可忽略;拉伸铠装层铺设角度对应变影响同样较大。文中数值方法可弥补理论方法限定在小位移、小变形范围,无法计入层间摩擦、材料非线性及初始制造椭圆率等缺陷。     

深海非粘结柔性立管简化模型数值分析及实验研究

非粘结柔性立管具有弯曲刚度小、质量轻、耐腐蚀以及抗疲劳等特点,适用于深海恶劣的海况。然而由于非粘结柔性立管层与层之间的摩擦、接触等诸多强非线性特性,使得其数值模拟分析面临众多挑战,很难同时保证分析模型的精度和效率。提出一个新的非粘结柔性立管简化模型,在考虑摩擦和接触等非线性特性,以及骨架层和抗压层的沿轴向的弹性模量的条件下,运用梁单元和壳单元简化了建模。实验研究的拉伸、扭转、弯曲刚度结果与新建简化模型计算结果的对比分析,验证了所建简化模型的可靠性。研究表明,新的简化模型不仅能节省计算时间,而且更加接近柔性立管的实际本构关系和实验结果。     

柔性管骨架层湿式压溃非线性数值模拟（英文）

压溃作为海洋柔性管道的一种典型失效形式,对其进行研究具有重要的工程价值。文章考虑了内护套层的影响,建立了包含内护套层的海洋柔性管道骨架层湿式压溃有限元模型,采用弧长法,分别考虑了初始椭圆度、接触非线性和材料非线性的参数影响,进行了骨架层非线性压溃力学性能的数值模拟,并与不含内护套层的单纯骨架层压溃模型进行了对比。研究结果表明,随着初始椭圆度的增加,临界压溃载荷会降低,呈现负相关关系;考虑接触非线性和材料非线性因素会对临界压溃载荷产生较大影响,具体表现为随着摩擦系数和材料屈服应力的增加,临界压溃载荷也会增加,呈现正相关关系;考虑内护套影响后,临界压溃载荷略有增加,说明内护套层在承担外压载荷时也起到了一定作用,但对于计算骨架层临界压溃载荷值影响不大。     

海洋非粘结柔性管道扭转失效特征行为分析研究

分析了扭转荷载引起的三种海洋非粘结柔性管道截面可能的失效模式:铠装钢丝强度失效、内层压溃失效及铠装钢丝屈曲失效。通过管道扭转时铠装钢丝的应力及层间相互作用的分析,对每种失效模式给出了失效判据表达式。通过综合对比分析,提出了非粘结管道截面最大允许扭转角度的保守预测方法。以某典型经济性柔性管道为例进行抗扭转能力的分析。计算结果显示,在反扭情况下骨架层压溃失效是最易发生的一种失效行为,其对应的扭转角度可用于该管道允许最大扭转角度的设计预测值。这项研究可以为海洋工程类似管缆结构抗扭转能力的设计提供参考。     

动态缆铠装层断丝效应研究

铠装钢丝作为动态缆中提供结构保护的单元,易遭受局部载荷,产生局部破坏.对此,探究铠装层局部断裂对动态缆的影响,以评估动态缆在局部铠装钢丝断裂之后的可靠性.确定铠装钢丝断口在缆轴向的影响范围,以评估动态缆本体受影响的范围;确定铠装钢丝断口在缆周向的应力集中效应,以评估断丝周围铠装钢丝由于断丝的应力集中效应,进一步发生断裂的可能性.采用一种截面型式的动态缆,设置不同断丝数的铠装层断口,对断口在轴向的影响范围和周向的应力集中情况进行分析,以便通过试验探究断丝的影响效应.同时,结合钢绞线断丝影响的探究结果,对动态缆铠装层存在一根断丝时的恢复长度进行理论分析,得到断丝恢复长度为1.07倍节距长度.试验结果表明,在轴向上,钢丝断口的恢复长度在1～2个节距范围内;在周向上,每断1根钢丝,在周围钢丝上的应力放大系数不超过1.14.     

细长螺旋结构拉伸力学行为解析理论适用性研究

基于曲梁理论推导了细长螺旋结构拉伸力学行为的求解公式,探究了不同缠绕角度结构在轴向拉力作用下的力学变形机制。通过理论解与数值解的比较,进一步明确了不同缠绕角度细长螺旋结构的变形特征和不同理论求解方法的适用范围。研究发现,具有较大缠绕角度的细长螺旋结构在受拉时主要产生扭转变形,而对具有较小缠绕角度的细长螺旋结构截面拉伸变形起主导作用。在相同轴向应变前提下,不同缠绕角度的细长螺旋结构内力以45°为中心成对称分布,这大大降低了工程设计的计算量,为工程中细长螺旋结构的分析设计提供了有益参考。     

FDPSO张力系统的非线性动力分析

根据浮式钻井生产储油系统(FDPSO)的概念设计,建立了张力系统的非线性耦合振动控制方程,同时考虑横向流产生的涡街作用和轴向的张力变化引起的参数激励,揭示了张力系统的耦合振动规律。采用数值方法进行求解,根据算例中的两种不同工况分析了张力系统的动力特性,结果表明这种张力系统设计具有一定的位移补偿效果,但在设计时一定要避免发生共振现象;并分析了非线性耦合效应对计算结果的影响,当立管的长径比l/D较大时,建议采用非线性模型。     

深水钢悬链线立管顺流向非线性动力分析

深水钢悬链线立管在外部流体作用下的动力响应在立管的性能优化设计中是非常重要的.文章考虑了深水钢悬链线立管轴向大应变的特性以及弯曲刚度和内流的影响,利用Hamilton原理和拉格朗日应变理论建立了立管的二维动力学模型.将外部流体的非线性作用力用Morison方程表示,通过Hermite插值函数对动力学方程进行离散,采用平均加速度法求解立管的动力响应.探讨了外部流体的非线性作用力对海洋立管顺流向动力响应的影响以及不同流速和拖曳力系数与海洋立管共振响应幅值的关系.     

双层舷侧结构碰撞损伤过程研究

采用非线性动态响应分析方法,对船舶双层舷侧结构的碰撞损客 研究。研究中,结构材料采用线性强化弹性模型并计入了应变速率引起的材料强化,考虑了碰撞面的接触 与摩擦。     

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。     

水下爆炸载荷作用下空背板动态响应研究

为研究板架结构在水下爆炸载荷作用下的承载能力,采用数值方法计算空背固支方板在水下爆炸冲击波载荷作用下的动态响应,研究爆炸冲击因子对板的最终变形的影响,分析空背板材料应变率以及空气场压力变化对板的动态响应行为的影响,数值结果与试验结果基本一致,冲击因子越大,板中心的最终变形越大.结果表明,分析时必须考虑材料应变率的影响,但可不考虑空气场压力变化对板变形的影响.     

流固耦合的船舶结构强度分析

常规方法构建船舶结构有限元模型时,对模型施加的流场绕流压力不充分,导致结构应力应变数值模拟精度较差。针对这一问题,设计流固耦合的船舶结构强度分析方法。建立船舶有限元模型,网格划分船体和流体区域,计算船体波浪水槽参数,模拟船舶航行的绕流场,导入绕流场动压力和静压力,施加流场载荷给船体结构,得到不同受力情况下的应力应变,确定结构强度。设置对比实验,结果表明,设计方法相比常规方法,减少船舶结构最大变形、最大应力值的数值模拟误差,对结构强度的判断更为准确。     

槽型舱壁极限强度的数值分析

通过采用ANSYS软件,在考虑几何和材料非线性的基础上,对系列槽型舱壁在线性静水压下的极限强度进行了有限元数值分析。讨论了不同槽型角度、板厚、边界约束形式及用钢量等对槽型舱壁极限承载力的影响。经过计算分析发现,槽型角度及板厚的增加均对槽体极限强度和单位用钢量有影响,但前者的增加对槽体极限强度的提高更有效;舱壁约束对结构的极限承载力有较大影响;合理的边界条件能较大提高其结构承载能力。     

模拟海洋环境条件下碳纤维复合材料力学性能试验研究

本文主要进行了CFRP材料浸渍于碱溶液、浸渍于盐溶液及经人工老化后的力学性能试验。试验证实,上述几种长期环境条件作用对CFRP的极限强度影响不大,但能显著降低CFRP的极限延伸率,碱溶液浸渍、盐溶液浸渍显著降低了CFRP的弹性模量,而人工老化则几乎没什么影响。试验结果分析证明,应用于加固结构分析的CFRP的应力-应变关系,可应用线弹性关系。     

基于爆裂失效的腐蚀压力管道剩余强度研究

为真实反应海洋结构物腐蚀压力管道的结构完整性及其剩余强度,文章以爆裂失效作为腐蚀压力管道的失效准则,基于扩展有限元法,提出了腐蚀压力管道爆裂失效数值分析模型,用以评估压力管道在外表面腐蚀工况下的爆裂压力。以矩形缺陷形状表征管道的腐蚀程度,对不同的腐蚀工况进行非线性数值分析,根据分析结果可知:腐蚀区域最大等效应力随内压变化的曲线可分为线弹性阶段和塑性屈服阶段,在塑性屈服阶段的终点,当腐蚀区域中心处单元达到材料失效准则时,开始起裂并沿轴向扩展,其所对应的内部压力即为爆裂压力;腐蚀管道的爆裂压力均随缺陷区域深度、轴向长度、环向长度的增长而呈指数形式下降,将爆裂压力有限元值与ASME B31G、RSTRENG 0.85标准预测值对比可知现有标准的保守性及局限性;轴向双缺陷压力管道的爆裂压力随着轴向间距的增大而呈指数形式上升,而后爆裂压力趋近于单缺陷管道的爆裂压力值;环向间距对环向双缺陷压力管道爆裂压力在60°～90°、90°～140°、140°～180°三个阶段呈现出不同的影响程度。     

非淹没丁坝三维绕流数值模拟

通过应用非线性三维紊流数值模型,并采用有限体积法对模型控制方程进行离散,对非淹没丁坝绕流进行数值模拟仿真分析,给出了三维流场、压力分布场、剪应力分布场等信息,计算结果均基本符合非淹没丁坝绕流的实际情况,结果表明该非线性模型是可取的,数值模拟结果具有一定的可信度.     

顶浪规则波中参数横摇数值预报研究

国际海事组织正在制定第二代完整稳性衡准中有关参数横摇的直接稳性评估方法,本文提出了三种顶浪参数横摇数值方法。首先是单自由度横摇运动数学模型,考虑了无横倾时垂荡、纵摇运动对横摇力矩中非线性的Froude-Krylov力的影响;其次在单自由度数学模型的基础上进一步根据横摇角动态考虑了非线性的辐射力和绕射力;然后是垂荡-横摇-纵摇耦合的三自由度耦合数学模型,其中通过对瞬时湿表面积分得到非线性的Froude-Krylov力,考虑瞬时横摇角度对瞬时湿表面的影响计算辐射力和绕射力。最后采用国际海事组织提供的集装箱船型,通过比较计算结果和试验结果,证实这三种数值方法的有效性。     

受冲薄壁圆管动态渐进屈曲的非线性有限元分析

采用非线性有限元方法,在经典刚塑性理论的基础上,考虑了材料非线性、大变形效应和应变率敏感性,对薄壁圆管的动态渐进屈曲过程进行了数值仿真.研究表明,利用非线性有限元数值仿真方法,可以对薄壁圆管动态渐进屈曲这一复杂的力学过程进行真实有效的模拟再现.     

大口径无配重海底管道S型铺设分析

考虑大口径管道的自身特性与铺设风险,采用数值模型计算与现场实验分析管道在张紧器夹持处承受较大径向压力,分析管道在悬空段承受较大弯曲应力及不同辅助措施对弯曲应力的影响,认为可通过严格控制管道的屈曲风险实现大口径无配重海底管道的S型方式铺设。