平转连续梁转体系统应力理论计算与数值模拟研究

依据弹性接触理论、材料强度理论,对静力作用下,日照肖家庄地区T型连续梁转体系统上、下转盘和球铰应力进行计算和强度分析,并通过ANSYS通用有限元软件对转体系统进行数值模拟,计算静力作用下转盘和球铰的应力分布。将转盘和球铰应力理论值与ANSYS数值模拟结果进行对比分析研究,得出转体系统中球铰应力分布呈现从球铰中心向球铰边缘逐步增大的规律,在球铰平面半径距离外边缘15%的范围内应为球铰设计重点关注区域。研究发现在理论计算中,采用等效应力计算方法较准确;在ANSYS数值模拟计算中,发现球铰采用SOLID单元计算结果更稳定、准确。     

蛇形铺设管道触发水平向整体屈曲效果研究

海底管道在深海石油开发工程中有着广泛的应用,管道在工作时受到高温高压会触发水平向整体屈曲变形,蛇形铺管法是控制管道水平向整体屈曲变形的有效手段。采用数值模拟方法,对蛇形铺设管道的关键参数进行研究,分析关键参数对临界屈曲荷载和屈曲后截面应力应变状态的影响。对每一组蛇形铺设管道都设置了直线型铺设管道的对照组,对照组采用引入初始挠曲的方法激发水平向整体屈曲,初始挠曲程度与蛇形铺设管道相同。通过与直线型铺设管道的对比,显示了蛇形铺设管道在激发和控制屈曲方面的优势,并对不同土体阻力情况下蛇形铺设管道的实际效果进行了评估。结果表明,蛇形铺设管道的临界屈曲力和屈曲后的弯矩皆远小于直线型管道。蛇形铺设管道的临界屈曲力随圆心角θ增大而减小,随曲率半径R的增大而增大。增大跨度L、曲率半径R和圆心角θ都能有效减小蛇形铺设管道的截面弯矩。水平向土体阻力对蛇形铺设管道影响较大,水平向土体阻力较小时,蛇形铺设管道控制屈曲的效果更为明显。     

海洋管线铺设时的静力分析

本文采用奇异摄动方法计算了海洋管线在铺设工况下的静变形和静应力,导得了非线性平衡方程解的二阶近似式。求解中由于考虑了床面的斜度,从而对可能发生的更不利位置作了进一步的分析和讨论。算例表明,用这种方法计算很大范围的一类海洋管线,精度高而且省机时。     

大直戏薄壁管线浅海铺设的空间形态和应力分布数值计算与分析

利用非线性大直径薄壁铺设变形和应力计算模型，对水中铺设的典型工况进行了空间形态和应力分布的模拟计算，分析了实际工程中的两种铺设方案－采用刚性托架和托架船辅助铺设及仍采用刚性托铺设，并计算了水中铺设时的纵向水流对铺设时的管线空间形态和应力分布的影响，对计算结果作了定性的分析，提出了相应工况时该管道铺设工程中应该注意的考虑的问题。     

深海J型铺管法管线触地区域动力响应研究

J型铺管法是深海管线铺设安装最先进的方法之一,研究铺设过程中管线受浮体运动和海洋环境载荷的动力响应影响,有助于认识和提高J型铺管法管线铺设的安全性。通过管线的静态整体构型分析得出其力学关键位置,并对其做时域动力响应计算,着重探讨了不同波浪情况、浮体垂荡和纵荡运动幅值,以及顶部张力参数对管线应力水平动力响应的影响。研究表明:触地区域是深海J型铺管法管线的应力响应最大位置;波浪水动力载荷对管线的直接影响作用较小;铺管船等浮体的垂荡运动对管线触地区域的力学影响显著,纵荡运动的影响略低于垂荡运动;管线顶部施加的张力越大,触地区域动力响应减小,但减小有限。     

MATLAB在海底管线阴极保护电场计算中的应用

海洋钢结构阴极保护电场的数值模拟仿真和计算是当前海洋腐蚀、阴极保护研究和工程实践中一个重要的研究方向。研究海底管线的腐蚀状态就必须准确测定管线表面的电位分布,而实际测量中深海管线表面电位分布难以直接测量。构建了海水中钢管线的阴极保护数学模型,采用以边界元法为基础的数值计算方法,利用Matlab开发了均匀电解质中电位分布的计算软件,实测中通过对腐蚀电场海水区域环境电场的测量,就可实现不接触测量管线表面电位的目的。最后通过海洋实测验证了计算结果的可靠性,证明了基于Matlab的数值仿真计算引入阴极保护设计中是行之有效的。     

海底管线整体屈曲过程中塑性变形研究

海底管线是海洋油气工程中主要的输送手段。在工作状态下,受高温高压的影响,深海管线可能会发生水平向整体屈曲。随海洋油气作业水深的增大,施加于管线的温度和压强也逐渐增加,导致管线产生较大的屈曲位移和截面应力,使得截面产生塑性应变。本文采用数值模拟方法,对海底管线整体屈曲过程中塑性区的分布及其与整体屈曲影响因素的关联性、塑性变形对水平向变形的影响和塑性变形造成的截面椭圆度的变化规律进行分析,研究塑性变形对整体屈曲过程影响的规律。     

深基坑支护结构设计的平面应变有限元法

采用平面应变有限元法讨论深基坑工程多支撑支护问题 ,与传统的静力平衡法、弹性抗力有限元法相比具有优越性 ,该方法将支护结构与土体作为 1个系统研究 ,充分考虑桩土间的协调作用 ,模拟桩土接触界面 ,能计算出不同开挖阶段坑底及地表的变形、支护结构的应力及弯矩 ,在基坑支护结构设计中具有重要应用价值。     

J-lay铺管作业力学分析

目前J-lay铺管法作为深水和超深水铺管的最适用方法广泛应用于深海油气开发。考虑J-lay铺管时管道几何非线性特征以及触地区边界效应,将J-lay铺管模型划分三构件进行力学分析:悬浮段、边界层段以及触地段。建立Orca Flex模型和引入Wang改进二构件模型,通过对比上述三种方法计算J-lay相应构型、轴力、弯矩和剪力分布,验证该三构件模型的可行性和考虑边界效应的必要性。基于Lamé公式计算管道横截面处轴向、径向以及环向应力,对比分析J-lay铺设管道应力分布特征。结果表明:该改进三构件模型能真实有效地模拟J-lay铺管过程中管道受力情况,特别是触地点附近弯矩和剪力变化情况,能为管道疲劳损伤分析提供理论基础。     

近岸波浪数值计算中两种动边界处理的比较

在近岸波浪数值计算中,动边界处理是不可避免的问题。文章基于Boussinesq方程的FUNWAVE-TVD模式,引入窄缝法对波浪水槽实验进行数值模拟,比较窄缝法和干湿网格法的波浪数值计算结果;设计多种周期和波高的波浪数值试验,分析两种动边界处理下数值计算结果的差异。结果表明,两种动边界处理对近岸波浪破碎的数值模拟有影响,对波浪漫滩区的计算影响尤为显著。     

波浪作用下斜坡上护面块体内部应力分布数值模拟

基于3D FEMDEM方法建立三维原型尺度数值模型,模拟波浪荷载作用下斜坡上护面块体内部的应力分布。波浪作用下结构物的水动力荷载采用微幅波理论模拟,护面块体之间的运动、碰撞接触以及块体内部的应力变化采用3D FEMDEM方法模拟。块体之间的接触力采用基于势函数的罚函数法计算,有限元的变形采用中心差分的显式方法求解。应用该数值模型与ANSYS软件程序对自重作用下混凝土扭王字块的内部应力分布特性进行了比较分析,验证了数值模型应力计算的可行性和计算精度。通过数值模拟计算给出了波浪作用下斜坡上护面块体之间的相对运动和块体内部的应力分布及应力历时曲线,探讨了块体内部应力变化特性。     

椭圆形主应力轴旋转路径下饱和密砂动强度特性试验研究

针对海床在波浪荷载作用下的应力状态,利用大连理工大学的"土工静力-动力液压-三轴扭转多功能剪切仪",针对相对密实度为70%的福建标准砂进行了一系列应力控制式轴向一扭转双向耦合的不排水循环剪切试验试。通过分别控制轴向与扭转应力幅值,研究了椭圆形主应力轴旋转应力路径下两个剪切分量对饱和砂土的动强度及其剪切特性的影响。结合所得试验结论,说明了目前广泛用于动强度分析的循环剪应力表达式无法正确反映椭圆形主应力轴旋转应力路径下的动强度,并提出了一个新的动应力表达式用于分析复杂应力路径的动强度特性。     

V⁃H荷载作用下海洋平台吸力式桩桶桩土承载特性研究

用于海洋平台的吸力式桩桶基础作为一种新型平台基础正逐渐成为人们研究的重点。为研究吸力式桩桶单桩基础的受力特性,对V-H（竖向—水平）联合荷载作用下的吸力式单桩基础桩土的承载特性进行了数值模拟,并将数值模拟的有限元解通过与API规范中对p-y曲线的计算方法进行对比来验证有限元模型的可行性,最后采用分级作用力的加载方式对其破坏包络曲线进行绘制,并推导出相应的函数表达式。研究表明,采用ABAQUS有限元分析软件对吸力式桩桶进行数值模拟是可行的,随着对吸力式桩桶所施加V-H联合荷载的不断增大,吸力式桩桶所能体现的应力和弯矩极限值也在随之增大,其位移变化主要在施加荷载的区域附近,最后在联合荷载作用下所体现的极限承载状态,即包络曲线大致呈四分之一的椭圆形状。     

导流板对波浪作用下海底管线影响研究

为研究导流板对波浪作用下海底管线的影响,在FLUENT中建立二维数值波浪水槽对不同导流板高度的海底管线附近波浪场进行数值模拟,并将计算结果与试验结果进行了比较,结果表明,计算结果与试验结果较为吻合。添加导流板后管线表面压力分布及波浪力均发生变化。水平波浪力最大值随着导流板高度的增大而增大,而垂直波浪力最大值则随之逐渐减小。     

波浪作用下孔隙海床-管线动力相互作用分析

波浪作用下海床中的孔隙水压力与有效应力是影响海底管线稳定性的主要因素。然而,在目前的海床响应分析中一般将管线假定为刚性,并不能合理地考虑海床与管线之间的相互作用效应,同时也没有考虑土体和管线加速度对海床动力响应的惯性影响,从而无法确定由此所引起的管线内应力。为此考虑管线的柔性,分别采用饱和孔隙介质的Biot动力固结理论和弹性动力学理论列出了海床与管线的控制方程,进而采用摩擦接触理论考虑海床与管线之间的相互作用效应,基于有限元方法建立了海床-管线相互作用的计算模型及其数值算法。通过变动参数对比计算讨论了管线几何尺寸、海床土性参数对波浪所引起的管线周围海床孔隙水压力和管线内应力的影响。     

柔性管Reel-lay铺管安装稳定性分析

钢管的S-lay、J-lay铺管方法的应用研究已经非常深入,而柔性管的Reel-lay铺管法的应用研究则相对较少。由于管道本身的材料非线性、管土接触存在非线性以及环境的不确定性等问题过于复杂,因此通过类比J-lay铺管法,采用整管的力学性能、弹性海底模型及均匀流等方式对Reel-lay铺管的水下段稳定性问题进行了简化;根据悬链线理论和小变形梁理论,给出了柔性管Reel-lay铺管法的数值计算方法,并与有限元模拟的结果进行了对比分析。结果表明:随着铺设角度增大,管道受到的弯矩也随之增大,但管道顶部的拉力却随之减小;随着铺设水深的增加,管道悬浮段质量增加,管道顶部拉力明显增加,但弯矩明显减小;浮重对管道铺设很重要,应根据实际情况,选择合适的配重以满足管道稳定和铺设的要求。     

声学探测技术在海底石油管线铺设后调查中的应用

海底石油管线铺设后可能多会出现不同程度的损伤、变形、冲刷、偏移、悬跨等情况,这通常是铺设过程中管线受到物理、化学、机械等因素的影响造成的。为避免作业风险和海洋环境污染,需要在管线铺设后对其铺设状态进行完工后调查,以便及时了解海底管线的实际情况,并根据调查结果采取相应的维护措施。本文根据管线后调查的工作需求,从声学探测技术的工作原理出发,研究并比较分析了4种声探测技术的优势与局限性,提出在海底管道检测时将各种探测手段配合使用,使各手段“取长补短”,可有效提高探测效率。并利用工程实例验证方法的有效性与可行性;在实例验证过程中,还明确给出了相关数据的处理分析方法,得出将多种声学探测设备得到的数据进行综合分析并相互校核,可有效提高测量数据精度。结果表明应用水声探测设备开展后调查的方法同时满足准确和高效率要求,可有效支撑海底管线铺设后状态评价工作。     

一个斜压海洋环流数值模式及其数值试验

为研究大尺度海洋环流和一些大尺度海洋物理过程,我们建立了一个无海底地形的三层斜压海洋环流数值模式。模式方程采用了静力近似和Boussinesq近似,在上边界采用了钢盖近似。同时,还做了两个数值试验:第一个模拟试验,海洋从静止状态开始,以4个季节的气候平均风应力和海表大气季节平均温度为强迫条件,积分区城选择45℃以北的太平洋,数值积分了5个模式年,这时海洋的上层环流和温度的年变化趋于平稳。计算结果再现了太平洋气候平均状态的海温分布和主要海流的大尺度特征以及它们的年变化特征。如西部强化流、赤道潜流等。第二个数值试验,在第一个数值模拟的基础上给定赤道西太平洋一个风应力异常区,数值积分了几个月。从计算结果中可看到类似E1 Ni■o的现象,并且初步地分析了赤道波动在E1 Ni■o形成过程中的作用。     

深海钢悬链立管触地点动力响应分析

研究深海钢悬链立管(SCR)在海洋环境载荷作用下的动力响应.利用非线性弹簧模拟立管与海床触地点的耦合模型,通过模态分析得到钢悬链立管的动力特性参数;时域动力响应分析获得不同工况下触地点及典型部位的位移、弯矩和应力时程.比较分析表明:浮体垂荡运动对触地点的应力状态影响较大,触地点附近存在钢悬链立管动力响应过程中的位移极值点和弯矩极值点.所提方法为触地点区域模拟分析提供了新思路,给出的分析结论对钢悬链立管设计有一定借鉴意义.     

埕北海域海底管线冲刷稳定性研究

根据埕北海域水下三角洲的工程地质条件和水动力条件,分析海底管线在两种铺设方式情况下的冲刷稳定性。第一种为埋置在一定土层深度处的管线：根据整个埕北海域海底长期冲淤变化规律,利用１９９２～１９９６ 年的实测水深资料得出的冲刷速率,推算出管线被冲出泥面所需的时间。第二种为裸露在海底的管线：根据海流对管线周围沉积物产生冲刷效应,冲刷达到一定程度时处于平衡状态,认为此状态下,海流在该点产生的剪切力等于形成可冲蚀海床沉积物的临界牵引力,据此计算出在管线周围冲刷的最大深度