钢悬链线立管初始位形及内力分析

基于向量式有限元法对钢悬链线立管初始几何位形及内力进行了建模和求解。向量式有限元是以向量式力学与数值计算为基础的一种结构行为分析的创新性方法。本文提出了一种初始位形建模新方案,将立管离散成一系列质点的集合,质点间用只承受内力而无质量的弯曲杆件元连接,采用牛顿第二定律来表达质点的运动行为,并用中央差分的显式积分法求解质点各时刻的控制方程,编制相应Matlab求解程序。与他人研究对比分析了三种立管形式,结果表明基于向量式有限元的位形求解方案是可行和正确的,分析了该方法所具备的优势,为悬链线立管初始位形和内力计算提供了一种高效的数学模型及可靠稳定的数值模拟方法。     

东方气田海管悬跨段安全评估分析

从工程实际问题出发,利用实际测量资料,通过建立近底床悬跨海管的有限元模型,计算了不同底床形状下海管最大静挠度随海流流速变化的规律,对东方1-1气田某标段海管进行了安全评估．筛选出了危险悬跨段。这一计算结果对海管的防护维护工程实践具有切实的指导意义。     

具有任意给定压力分布形式的三维机翼数值设计

利用一种数值迭代方法设计具有任意给定的升力系数和压力分布形式的三维机翼。方法中对于一定的目标压力分布，取一初始机翼，并由基于速度势的面无法计算三维机翼的流体动力性能，逐次改变初始机翼某一点的形状，计算由此引起的压力分布的增量，形成Jacobian行列式，由目标压力分布与初始机翼的压力分布的差修改初始机翼，重复这一过程得到具有目标压力分布的机翼。再由该机翼升力系数的差修改目标压力分布，重新设计机翼，最后迭代得到符合设计要求的三维机翼。     

海底埋设双层管管道隆起屈曲分析

海底埋设双层管管道隆起屈曲分析是海洋管道设计的重要技术之一。在管道隆起屈曲分析中实现管土作用和内外管相互作用的准确模拟一直是工程应用追求的目标,也是其中的难点。利用管土作用单元和管中管单元等技术,建立了海底埋设双层管管道隆起屈曲分析有限元模型。该模型不但考虑了管道初始形状、压力、温差载荷、管道材料非线性等常规因素,还考虑了非线性管土作用和内外管相互接触作用,并能对管道屈曲前和屈曲后全程进行模拟。应用该模型,计算了一条高温高压埋设双层管管道隆起屈曲过程中的应力等。算例表明该模型有较好收敛性,能对一般海底高温高压埋设双层管管道隆起屈曲进行准确模拟。     

基于全景智能化对接技术的隧道沉管标定方法

目前我国深水跨江海隧道沉管对接已经实现了全景智能化对接测量技术。其中RTK天线及姿态仪设备的标定十分重要。设备标定的实质是测定设备在沉管坐标系中的安装初始位置和初始姿态。标定精度直接影响对接定位的精度。介绍了沉管对接技术中各种设备的标定原理和方法,对于弯曲沉管、静态、动态等各种情况下的标定方法给出了较详细的介绍,该方法将原来的静态、直管隧道标定方法拓展到弯管隧道和动态标定,适用于各种形状不规则的沉管标定。标定精度满足工程要求,在工程实践中得到了很好的应用和验证。     

夹心立管极限强度分析

针对夹心立管极限承载能力问题,通过ABAQUS软件建立了立管的非线性有限元模型,对纯外压、纯弯矩、以及外压和弯矩联合作用下的立管极限强度进行研究。研究夹心材料、初始椭圆度以及偏心焊接等因素对立管的极限承载能力影响。经有限元计算可知,胶合材料夹心立管与聚丙烯材料夹心立管在极限强度上有明显的差异;对于胶合材料夹心立管,随着初始椭圆度增加,立管的极限外压和极限弯矩均减小;对于偏心焊接的单壁立管而言,随着偏心焊接量的增大,立管的极限弯矩减小。     

微平面接触分离中弯月面力的计算

微平面间黏着力对微机电系统(MEMS)非常重要,常是决定其能量损耗乃至寿命长短的最主要因素.MEMS中的黏着力主要来源之一就是介于两互相接触平面间的弯月面力.弯月面力主要取决于相互接触的两平面间形成的弯月面形状.本文通过分析两微小平面在分离过程中弯月面形状的变化,得到在不同表面亲水/疏水性能、初始液面高度、分离距离等条件下的弯月面形状,计算得出在不同初始条件下断裂高度和弯月面力的数值以及随之变化的规律,为MEMS的性能分析和寿命计算提供依据.     

颗粒形状对珊瑚砂和石英砂沉降影响的试验研究

在研究海岸侵蚀的过程中,泥沙沉速是一个重要参数,对于侵淤量的计算非常重要。近些年来,由于工程活动、海洋动力和气候等因素变化的影响,珊瑚砂海岸的侵蚀冲刷问题已不容忽视。考虑到珊瑚砂与石英砂在形状、比重上的不同会对其沉速造成影响,套用现有石英砂的沉速公式进行计算并不合适。本文针对珊瑚砂和石英砂进行沉降试验,分析形状对珊瑚砂沉速的影响。结果显示,在小粒径(d 0.5 mm)下形状对珊瑚砂沉速的影响并不明显,在大粒径(d 0.5 mm)下明显减缓了珊瑚砂的沉降速度,套用石英砂的沉降公式计算出的珊瑚砂沉速明显偏大。故通过提出动力形状因子这一参数来表征形状对沉降的影响,推导出考虑了形状影响的沉降公式,能够较为准确地计算砂粒的沉速范围,计算精度随着黏度的增大而提升。     

V形防波堤与圆弧型防波堤之浅水波绕射作用的比较

应用椭圆余弦波的绕射理论,推导了V形防波堤的浅水波浪绕射解析解,从而对现有的Airy微幅波理论进行了有效拓展。据此理论对V形防波堤的浅水波绕射作用进行了解析计算,并与几何形状相近的圆弧型防波堤结果加以了对比。结果表明：椭圆余弦波理论计算的V形防波堤最大波浪力和最大绕射波面明显大于微幅波理论的对应值。本方法适用于张角180°的有限长直立薄壁防波堤的浅水波绕射作用计算,从而将无限长直立薄壁堤的反射波理论加以有效拓展。张角同为120°的V形堤与圆弧堤的堤后防浪效果相近,而180°圆弧堤的堤后防浪效果优于张角90°的V形堤。     

带初挠度轴压圆管极限承载能力

本文回顾了圆管形截面杆件弹塑性弯曲曲率与截面轴力和弯矩的关系,利用增量迭代方法,建立了带初挠度管形杆件极限轴压承载能力和后屈曲状态的计算程序,并在数值分析的基础上,考察了极限承载力的若干影响因素。     

海洋纤维增强柔性管压溃失效特性研究及参数敏感性分析

以一种黏结型的纤维增强柔性管作为研究对象,基于ABAQUS建立纤维增强柔性管的实体单元模型。根据二维 Hashin失效判据判断柔性管失效情况,充分考虑管道内外护套层塑性及纤维增强层复合材料渐进失效,建立纤维增强柔性管的压溃数值模型。将特征值法与弧长法相结合,计算得到了较为精准的纤维增强柔性管临界压溃压力及对应的外压—椭圆度曲线;并对影响柔性管临界压溃压力的几个敏感性参数如椭圆度、纤维缠绕角度、直线度进行分析。研究结果表明椭圆度和直线度偏差的增大及纤维缠绕角度的降低均会使柔性管的临界压溃压力下降,该结果对纤维增强柔性管的设计与使用均具有一定的参考意义。     

柔性管卷管式铺管上卷有限元模拟

采用卷管法进行海底管道铺设过程中,管道首先通过牵引作用上卷于卷筒进行储存。管道与卷筒发生非线性接触,可能会产生复杂的塑性变形和局部屈曲。通过全尺寸柔性管力学性能试验获得柔性管轴力—应变以及弯曲—曲率等非线性力学性能关系,将试验所得的非线性材料性能参数导入建立的两种柔性管上卷ABAQUS有限元模型（梁—实体单元模型与壳和桁架—实体单元模型）,实现柔性管较大轴向抗拉刚度和较小抗弯刚度的同步模拟以及管道与卷筒的非线性接触响应特征。通过对比分析两种有限元模型数值模拟得到的管道弯矩、弯曲曲率、管道轴力、管道与卷筒的接触压强等数据,发现在管道上卷过程中管道沿副法线方向的SM3弯矩占据其弯曲变形主导地位;管道与卷筒之间的摩擦效应对于管道轴力的影响较为显著;管道与卷筒的最大接触压强主要发生在卷管过渡段区域。     

初始几何缺陷对UOE焊管屈曲压溃影响研究

UOE焊管经过一系列成型工艺可以得到高质量的成型结果,但管道截面仍存在一定初始几何缺陷,这将对管道性能产生明显影响。通过试验测定X65钢在循环载荷下的力学性能,并利用有限元分析软件对UOE焊管成型全过程进行模拟,分析主要成型参数对管道屈曲压溃压力的影响。分别采用有限元模拟和试验测量方法确定管道截面初始几何缺陷分布情况,并采用余弦函数形式拟合几何缺陷。结果表明,扩径阶段芯轴数目将对缺陷形式产生影响,且实际厚壁UOE管道几何缺陷形式更接近梨形而非椭圆形。评估厚壁UOE管道性能时,近似认为截面形式为椭圆形可能发生过于保守的问题。     

层间摩擦系数对非黏结柔性管抗拉铠装层轴压屈曲失效模式的影响研究

在柔性管运输、铺设安装和服役过程中,由于其抗拉铠装层钢带为柔性细长螺旋结构,当外部载荷超过临界值时,抗拉铠装层钢带容易发生屈曲失效。考虑非线性材料、几何大变形、层间接触和摩擦等非线性效应的影响,运用ABAQUS有限元软件建立了63.5 mm典型非黏结柔性管8层完整结构模型,研究了在抗拉铠装层不同层间摩擦系数的情况下,非黏结柔性管在轴向压缩载荷作用下的力学性能和屈曲失效模式。研究结果表明,层间摩擦系数对非黏结柔性管的抗压刚度和抗拉铠装层屈曲失效模式有较大影响,层间摩擦系数以0.1和0.2为分界点,抗压刚度和屈曲失效模式均呈现出“三段式”变化规律。研究成果可为海洋非黏结柔性管的结构设计和屈曲失效评估提供技术参考。     

细长输流管内外流耦合振动特性研究

管内流动会影响输流管的振动响应,目前关于输流弹性管涡激振动方面的研究较少。基于计算流体力学(CFD)方法,开展内外流对细长输流弹性管振动特性影响的研究。首先在不考虑内流的情况下将弹性管涡激振动数值预报结果与模型试验数据进行对比,验证了数值方法的可靠性。再者考虑内外流耦合作用情况下,对不同内流流速下细长输流弹性管振动位移时—空分布、顺流向最大平均偏移、振动轨迹、内部横向涡的形成与分布等进行了对比分析。结果发现,与外流流速相比,内流流速的增加虽然难以改变弹性管的主振模态,但对沿管体的振动强度影响显著。顺流向最大偏移处管体运动轨迹发生明显的变形和跳跃。在剪切外流和均匀内流对弹性管的联合作用下,沿管跨方向模态间能量转换频繁,伴随着间歇性出现或消失的沿弹性管传播的行波组分,这主要归因于复杂的双重流固耦合系统(外流—管体,内流—管体)。在内流以附加质量力、离心力和科氏力形式的激励下,弹性管内二次流现象明显。在振动过程中,内部横向涡沿管壁生成、脱落并逐渐散布于整个横截面。     

Dynamic Analysis of Deep-Ocean Mining Pipe System by Discrete Element Method

The dynamic analysis of a pipe system is one of the most crucial problems for the entire mining system.A discrete element method(DEM)is proposed for the analysis of a deep-ocean mining pipe system,including the lift pipe,pump,buffer and flexible hose.By the discrete element method,the pipe is divided into some rigid elements that are linked by flexible connectors.First,two examples representing static analysis and dynamic analysis respectively are given to show that the DEM model is feasible.Then the three-dimensional DEM model is used for dynamic analysis of the mining pipe system.The dynamic motions of the entire mining pipe system under different work conditions are discussed.Some suggestions are made for the actual operation of deep-ocean mining systems.     

Non-symmetric cyclic bending of helical wires in flexible pipes

Unbonded flexible pipes have superior fatigue performance as the internal armor layers are allowed to move relative to each other, leading to reduced structural loading. The main interactions between the internal layers are the contact forces and the frictional forces. Frictional interaction leads to a complex non-linear response of unbonded flexible pipes making prediction of cyclic bending fatigue a demanding task. Nevertheless, detailed understanding of local armor wire stresses and the related fatigue phenomena is of paramount importance as unbonded flexible risers are often operated close to their mechanical limits. This paper presents a method for calculating the tensile armor wire loading and the hysteresis effect on flexible pipes when subjected to tension, and non-symmetric cyclic bending. The effect of non-symmetric cyclic bending with different tensile armor lay angles, and frictional conditions are studied. The analysis uses an efficient repeated unit cell finite element model, allowing the analysis to be performed on a desktop computer. The study shows that the tensile armor wires gradually translate towards the compression side of the pipe bending plane, when the unbonded flexible pipe is subjected to combined tension and non-symmetric cyclic bending. In the analysis, cyclic bending is applied until steady-state in the bending response is achieved over a full bending cycle. The global bending response of the flexible pipe and the tensile armor wire loading conditions for fully stabilized non-symmetric cyclic bending become symmetric around the frictionless state for the mean cyclic bending curvature. An approximate analytic model for the tensile armor in the stabilized cycle, based on symmetric bending about the geodesic curve corresponding to the mean pipe curvature, is proposed.     

Effect of traveling wave on the vortex-induced vibration of a long flexible pipe

It is expected that the vortex-induced vibration response of long flexible tubular structures exposed to a shear current will consist of multiple modes of standing and traveling waves simultaneously. The vibration characteristics of traveling wave caused by VIV and its effect on the vibration form for a flexible pipe model are presented in this paper. Two methods are proposed to reveal the characteristics of standing and traveling waves from the perspective of an instantaneous illustration and a time-averaged statistical analysis separately. The first is associated with the adoption of an illustration method depending upon an instantaneous local upper envelope to identify the dominance of the standing or traveling wave. It is found that the in-line and cross-flow wave types show synchronization in that the wave types are mostly changeless or occasionally transform from one type to the other nearly simultaneously. In both the in-line and cross-flow directions, it is evident that the vibration response is not dominated by the standing wave characteristics but can often be characterized by the alternate presence of a traveling wave and a hybrid standing-traveling wave. The second method is associated with the adoption of the significant strain peak concept proposed to estimate the occurrence of the peak strain response and fatigue damage risk. It is found that the strain peak value attributed to in-line static strain accounts for a large proportion of the final equivalent significant strain peak near the pipe end with high reduced velocities, especially when the flow velocity is high. With the occurrence of a hybrid pattern of standing-traveling wave for higher velocities, the distribution of the significant cross-flow strain peak becomes uniform and its corresponding wave shape is apt to be flat.     

新型非黏结柔性管接头的设计和分析研究

针对传统非黏结柔性管接头安装时,由外管套扣压变形而引起的接头排气孔变形问题,研制了新型非黏结柔性管接头,不仅避免了排气孔的变形,而且提高了排气孔处的结构强度。运用ABAQUS有限元分析软件对管接头的扣压过程进行仿真分析,通过对比分析结果,验证了新型管接头的结构设计合理有效,从而为非黏结柔性管接头设计提供技术参考。     

Experimental Study on Coupled Cross-Flow and in-Line Vortex-Induced Vibration of Flexible Risers

In this work, we study the coupled cross-flow and in-line vortex-induced vibration （VIV） of a fixedly mounted flexible pipe, which is free to move in cross-flow （ Y- ） and in-line （ X- ） direction in a fluid flow where the mass and natural frequencies are precisely the same in both X- and Y-direction. The fluid speed varies from low to high with the corresponding vortex shedding frequency varying from below the first natural frequency to above the second natural frequency of the flexible pipe. Particular emphasis was placed on the investigation of the relationship between in-line and cross-flow vibration. The experimental results analyzed by using these measurements exhibits several valuable features.