非纯弯作用下I形波板组合梁的弹性屈曲应力

纯弯条件下,带钢翼缘板的波形钢腹板I形组合梁(简称I形波板梁)的屈曲应力已有明确的计算公式,但该公式不适用于非纯弯的条件。笔者对自由端受集中荷载的悬臂式I形波板梁进行了数值模拟研究,结果表明:该种梁有3种屈曲模态,分别是翼缘板屈曲、波板屈曲和耦合屈曲;当梁的屈曲由翼缘板屈曲主导时,悬臂式非纯弯梁的屈曲应力大于纯弯梁的屈曲应力,此时翼缘板的宽长比为影响翼缘板屈曲应力的主要因子;结合大量的数值模拟结果,笔者对翼缘板屈曲系数进行了修正,提出了涵盖全部屈曲模式的I形波板梁屈曲应力计算公式。

薄壁钢板局部屈曲关键问题研究进展

钢结构以及钢-混凝土组合结构由于其强度高、耗能能力好、施工方便等优异性能,被广泛应用于工程结构中。然而,随着高强度钢材的应用,薄壁钢板呈现薄壁化、宽厚比随着构件截面尺寸的增大而不断增大的趋势,由于工程结构及荷载的复杂性等因素,钢板过早发生局部屈曲的风险不断加大,薄壁钢板的局部屈曲问题凸显,亟待开展系统性深入研究。对薄壁钢板局部屈曲研究的进展进行了概述,分析总结了现有试验研究和理论研究方面存在的局限性,详细介绍了笔者团队近年来聚焦于薄壁钢板局部屈曲关键问题开展的一系列研究工作及成果。

薄壁杆件屈曲模态分析的力特征约束有限条法

整体、畸变、局部等基本变形模式的划分是条理化开展薄壁杆件工程计算的必要手段。薄壁杆件的基本变形模式传统上基于简化应力-应变关系,采用变形、应变等几何特征进行定义,不利于因应复杂化应力-应变关系。提出一套完全基于力特征和正交完备性原则的基本模式定义。与广义梁理论和约束有限条法相比,提出的整体、畸变、局部3种基本变形模式关于刚度严格正交,且完整覆盖薄壁杆件全变形域。基于该定义实现了针对薄壁杆件有限条模型的屈曲模态分解和识别。算例表明,提出的基本模式定义和屈曲模态分析方法具有开、闭口和折、曲线形截面的一致适应能力,剪应变和横向伸缩的影响在基本屈曲模式中得到合理表达,曲线形截面薄壁构件具有与多边形截面薄壁构件一致的整体、畸变和局部屈曲机理。

超深井套管屈曲后钻具通过性计算模型研究

针对超深油藏井下载荷工况愈发恶劣的现状,对钻具在三维屈曲套管中的通过性进行了研究。通过对比钻具、套管、井筒尺寸的几何关系,考虑了套管屈曲相关参数,确定了钻具在套管正弦及螺旋2种屈曲形式下的不变形通过最大长度,建立了套管屈曲后钻具通过性计算模型,并利用该模型进行了实例计算。应有限元确定了实例中套管屈曲形式,计算了不同屈曲时的通过性。计算结果表明,钻杆及钻铤在屈曲套管中可自由通过,钻具的通过性主要受钻头尺寸的影响。通过全尺寸实物试验对钻头在屈曲套管中的通过性进行了验证。结果显示,建立的计算方法也可用于其他井下工具的通过性计算,如油管在屈曲套管中、井下工具在屈曲油管中的通过性等,对油田现场作业具有重要指导意义。

新型GFRP-钢屈曲约束支撑设计与受力性能分析

为发展轻质、耐腐蚀的屈曲约束支撑,以玻璃纤维(GFRP)拉挤型材和缠绕工艺构造支撑约束构件,H型钢为内芯,提出一种新型GFRP-钢屈曲约束支撑.通过理论分析与数值模拟,探究了支撑内芯的屈曲模态发展规律;结合GFRP的各向异性和层合板结构特性,建立了GFRP约束构件的设计参数计算公式;分析了支撑间厚比、翼缘和腹板宽厚比及纤维角度对GFRP约束构件与内芯相互作用特征的影响规律,并给出了合理取值;通过算例分析,验证了该设计方法的可靠性.结果表明:H型钢内芯依次发生翼缘局部屈曲、绕弱轴整体屈曲、腹板局部屈曲和绕强轴整体屈曲,且整体屈曲模态较低,而局部屈曲模态较高;间厚比和宽厚比均会影响内芯的屈曲模态发展,进而改变约束构件的受力状态,间厚比宜为0.125 0~0.50,宽厚比宜小于6.29;GFRP约束构件主应力方向接近45°,为充分发挥纤维纵向承载能力,纤维宜按45°相互垂直交叉布置.

无拉力弹性地基上矩形板屈曲/后屈曲问题的辛求解方法

无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲问题是板壳力学中一类重要课题,在工程中有着大量应用.因涉及接触非线性,目前主要采用数值方法对该类问题进行求解,发展具有重要基准价值的解析方法是当前面临的一项挑战.针对上述问题,本文将板划分为若干包含强制边界条件的板,形成子问题,在辛空间下利用分离变量与辛本征展开对子问题进行解析求解,通过子问题边界处的连续条件确定板与地基的接触状态;通过迭代求解上述过程,获得子问题划分的收敛结果,并得到最终屈曲载荷及模态.结果表明,无拉力弹性地基与Winkler地基上板的屈曲行为存在显著差异,且无拉力弹性地基的刚度对板的屈曲载荷与屈曲模态均有重要影响.在此基础上,结合Koiter摄动法与辛方法,对无拉力弹性地基上矩形板的后屈曲问题进行求解,获得板的后屈曲平衡路径.所得到的屈曲与后屈曲分析结果均与有限元计算结果吻合良好,确认了本文结果的正确性.由于本文方法数学推导严格,求解效率高,因此不仅为研究无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲行为提供了一种有价值的理论工具,更有望拓展至更多复杂板壳力学问题的求解.

基于多线性材料硬化的向量式有限元C型薄壁型钢屈曲分析

C型薄壁型钢在实际工程中较常见,在力的作用下容易发生屈曲失效。传统有限元法预测结构屈曲变形已经有一套较为成熟的方案,但程序较烦琐。基于向量式有限元(VFIFE)方法编制了三角形壳单元的Fortran计算程序。通过Matlab软件编写前处理与后处理程序,将计算结果与经典的双曲壳屈曲计算结果对比,考察其正确性。考虑几何非线性问题与材料非线性问题,引入多线性材料硬化模型,计算了不同尺寸的C型薄壁型钢在轴压荷载下的屈曲特性。根据位移-轴力曲线判断屈曲荷载,通过后处理程序绘制出屈曲发生后的变形,并与现有的试验结果对比。结果表明:引入多线性材料硬化模型的向量式有限元方法能够较好地预测结构屈曲荷载以及屈曲变形,为预测结构的屈曲变形提供一种新的、可靠参考。

海上风电单柱复合筒基础屈曲特性研究

为加深海上风电单柱复合筒基础屈曲特性研究,本文以海上风电单柱复合筒基础屈曲特性为研究对象,使用ABAQUS建立海上风电单柱复合筒基础结构,通过使用线性屈曲计算方法,对3种模型在不同下沉深度及径高比下的屈曲特征值及屈曲变形分布形态变化进行分析,并考虑初始缺陷,采用非线性屈曲计算的方法对实际工程中的结构屈曲值进行了计算,为工程设计提供参考。结果表明:下沉深度、径高比、初始缺陷对海上风电单柱复合筒基础周向屈曲负压值有着不同程度的影响,在径高比较大时,屈曲受初始缺陷影响较小,结构的屈曲应力值会随着下沉深度的增加而增大。同时对美国海军试验水槽计算公式进行了修正,得到适用于预测不同下沉深度时结构的周向屈曲值的拟合公式。

跨斜滑断层非埋设海底管道局部屈曲分析

利用有限元软件ABAQUS,建立跨斜滑断层非埋设海底管道数值分析模型,考虑管道材料非线性、几何大变形和管土非线性作用的影响,模拟跨斜滑断层海底管道在正常操作阶段的局部屈曲响应。针对管道壁厚、铺设残余张力、穿越断层角度等敏感性参数变化下海管局部屈曲失效、侧向位移和轴向拉伸应变等进行分析,为跨斜滑断层非埋设海底管道的前期设计、安全评价、维修保护等提供参考。

开孔缺陷对蜂窝与瓦楞纸板侧向临界屈曲载荷弱化效应的研究

目的以蜂窝纸板和瓦楞纸板为对象,研究2种纸板圆孔缺陷对侧向承载能力的弱化效应。方法利用ANSYS Workbench软件的数值模拟功能,对2种纸板的开孔模型进行特征值屈曲分析,研究了2种纸板临界屈曲载荷随孔径大小的变化趋势,分析了2种纸板侧向承载能力对孔洞缺陷的敏感性。结果随着孔径的增大,蜂窝纸板与瓦楞纸板的屈曲临界载荷均呈逐渐下降趋势;开孔大于临界值后,瓦楞纸板的屈曲载荷下降率明显高于蜂窝纸板。结论随着孔径的增大,蜂窝纸板侧向承载能力的下降速度小于瓦楞纸板,蜂窝纸板表现出比瓦楞纸板更优的开孔缺陷弱化效应。

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。

火灾下LYP160屈曲约束支撑抗震性能研究

为研究屈曲约束支撑(buckling-restrained brace,BRB)及其体系在高温工况的抗震性能,对BRB芯材低屈服点LYP160钢材分别进行了常温和高温材料力学性能试验.通过与试验结果比较,建立了BRB热-力耦合精细化有限元分析模型,验证了该模型的准确性;对火灾下LYP160屈曲约束支撑的温度场、滞回曲线、骨架曲线和耗能能力等性能进行了对比分析;对不同工况(3种火灾工况和常温工况)下8层配置屈曲约束支撑钢框架(BRB structure,BS)和原结构(original structure,OS)分别进行了弹塑性动力时程分析.研究结果表明:3种火灾工况下BS的平均层间位移角较于OS分别降低了30.4%、33.2%和42%;OS柱塑性铰损坏严重,且更多出现在柱上,BS整体损坏程度较OS轻,更为安全可靠.

考虑表面效应的压电半导体梁的静态屈曲行为研究

鉴于表面效应和挠曲电效应对纳米材料或结构的力学行为具有显著影响,以纳米尺度压电半导体(PS)梁为研究对象,根据Hamilton变分原理,推导建立了考虑Steigmann-Ogden表面弹性效应和挠曲电效应的Euler-Bernoulli梁理论模型和相应的边界条件.结合电荷守恒方程和线性漂移扩散方程,研究了该梁结构的静态屈曲行为,得到了短路和开路条件下梁结构的等效弹性常数和屈曲临界压力的解析解.详细分析了表面效应、尺寸效应、挠曲电效应以及载流子屏蔽效应等因素对梁结构的等效弹性常数的影响规律和作用机制.该文的研究结果对基于纳米压电半导体梁结构电子器件的设计和应用具有指导作用.

国产低屈服点芯材屈曲约束支撑的滞回性能及减震效果研究

为了研究芯材为LY160软钢的屈曲约束支撑滞回性能以及减震效果,针对LY160钢材和BRB构件进行了从材性、构件性能、到结构地震响应的系统试验和分析工作。首先完成了LY160钢材的材性试验,得到LY160钢材试件的平均屈服强度为170MPa,断裂伸长率为48.2%;随后进行了屈曲约束支撑的低周往复加载试验,采用LY160的屈曲约束支撑破坏位移为1/45L,延性系数达到17,最后开展了6层钢筋混凝土框架结构的弹塑性地震响应分析,发现使用LY160芯材的LBRB结构相较于使用Q235芯材的普通NBRB结构,不仅结构动力响应的减震效果提升了25%,同时还可有效地改善结构在强震下的塑性损伤,采用低屈服点软钢为芯板的屈曲约束支撑可以有效提升结构的抗震安全性。

固定平台单髁置换联合髁间窝成形术治疗中度屈曲畸形膝内侧间室骨关节炎的疗效分析

目的观察固定平台单髁置换加髁间窝成形术治疗中度固定屈曲畸形膝内侧间室骨关节炎的临床效果。方法选取2021年11月至2023年6月青岛市市立医院收治的合并有中度固定屈曲畸形的膝内侧间室骨关节炎患者50例,其中男24例,女26例,年龄64~75岁,平均(69.69±3.53)岁。按手术方式分为研究组(采用固定平台单髁置换加髁间窝成形术)和对照组(采用全膝关节表面置换术)各25例。对比两组手术前后Lysholm评分、美国特种外科医院(the hospital for special surgery,HSS)膝关节评分及疼痛视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS),测量术前及术后12个月膝关节屈曲角度,对比两组伸膝角度改善情况。结果患者均获得12个月完整随访。术后2周、6周、3个月研究组Lysholm评分、HSS评分及VAS均优于对照组,差异有统计学意义(P<0.05);两组术后6个月、12个月Lysholm评分、HSS评分及VAS差异均无统计学意义(P>0.05);研究组术后12个月残留畸形角度大于对照组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论对老年骨关节炎合并中度固定屈曲畸形患者采取固定平台单髁置换加髁间窝成形手术可以有效地减轻疼痛,改善膝关节功能,但对屈曲畸形的矫正能力小于全膝关节置换。

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63.5mm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。

基于防屈曲支撑的导管架大型风机冰激振动响应分析

位于寒区的导管架大型风机在服役期间易遭受冰荷载的作用,冰激振动响应显著。为保证风机安全运行,要求其必须具备一定的抗冰性能。而导管架支撑构件一般是细长比较大的薄壁空心圆筒结构,在极端冰荷载作用下易发生屈曲破坏,从而导致主体结构遭受更大的冰激振动。为解决这一问题,提出基于防屈曲支撑(BRB)的导管架风机结构。以渤海某四桩导管架大型风机为例,利用ANSYS有限元软件建立结构的简化模型,对其进行屈曲分析,将易发生屈曲的杆件换成防屈曲支撑,分别对替换前后的风机在3条挤压冰荷载作用下的振动响应进行对比分析。结果表明:BRB风机结构在不同挤压冰荷载作用下,均可以减小关键位置的峰值位移、峰值加速度,尤其在Push2冰荷载作用下结构振动响应甚至可减小26%以上。该研究成果可为其他同类型海上风机结构设计与研究工作提供参考。

LY160钢屈曲约束支撑框架抗震性能研究

屈曲约束支撑(BRB)因其性能优越已在工程中广泛应用,目前工程中使用的BRB芯材多为Q235B钢,为研究软钢BRB框架的受力性能,设计了一榀LY160钢BRB框架进行低周反复试验。试验结果表明:LY160钢BRB框架滞回曲线饱满,耗能系数高达1.54,等效黏滞阻尼达到了0.255。为了进一步研究LY160钢BRB框架结构体系抗震性能,分别运用ABAQUS与PERFORM-3D对框架试验进行模拟,并将两个模拟结果与试验结果进行对比,分析了两个软件模拟计算的优缺点,验证了数值模拟的准确性。在此基础上,采用PERFORM-3D建立6层BRB框架结构(BRBS)模型并与无控框架结构(UCS)模型以及普通支撑框架结构(NBS)模型进行对比,BRBS的层间位移角、层剪力最高可分别降低34.47%、31.29%,远超NBS的19.39%和17.31%,且BRBS的塑性耗能几乎全为BRB提供,很好地保护了主体结构,具有较为稳定、良好的抗震性能。

沙波区双层海底管道整体屈曲设计研究

对于凝点较高的海洋石油产品,在开采过程中,通常采用双层保温海底管道进行输送,这导致裸置在海床上的海底管道在运行过程中全程保持着高温状态,需要对海底管道进行整体屈曲设计研究。本文基于DNVGL-RP-F110规范对双层保温海底管道整体屈曲开展研究,以南海某油田开发项目为例,对沙波区海底管道的强度、行走、热循环疲劳等工况进行分析,结果表明,在某些工况下,需要采取缓解措施抑制总体屈曲对海底管道的潜在危害,保障海底管道在运行期内的可持续性安全。

纵向非均匀温度下钢柱弹性屈曲荷载

在大空间建筑火灾中,由于热空气的上升,在纵向空间上的温度分布常常是不均匀的,上部的温度会远远高于下部的温度。该现象在火灾的轰燃发生后是十分显著的。在钢柱的抗火设计中考虑纵向温度的不均匀分布不仅符合实际情况,也更符合基于性能化的抗火设计理念。该文先以无端部约束钢柱为研究对象并假定其横截面上的温度均匀分布,基于能量法推导了其在一般场模型火灾条件下的弹性屈曲荷载;在简化的双区域火灾模型条件下,分别基于平衡微分方程以及能量法推导其弹性屈曲荷载,并采用数值分析对推导结果进行验证。发现基于平衡微分方程推导的精确解相较于数值模拟结果,误差均小于3%,而基于能量法推导的结果则在部分情况下显著偏大。此外,研究结果表明:如果忽略温度的纵向不均匀分布,对于受热长度与非受热长度等长的钢柱,其弹性临界荷载会被严重低估,甚至达到约37%。考虑柱端轴向约束的作用,该文给出了不均匀温度分布条件下约束柱的弹性屈曲荷载计算方法。