温度荷载作用下受约束凹陷管道受力研究

为研究凹陷缺陷对油气管道可能造成的本体损伤和安全隐患,采用ABAQUS软件建立温度荷载作用下受约束凹陷管道有限元模型,结合Ramberg-Osgood模型以及更符合实际的二段式应力-应变本构方程准确地模拟钢材非线性本构模型。文中探究了凹陷深度、管道内压以及温度荷载对管道运行内压作用下受约束凹陷管道的应力应变的影响规律。研究发现对受约束凹陷管道应力应变影响最显著的是凹陷深度,其次是管道内压,最后是温度荷载,为这类钢制管道设计提供参考。

复合材料层压板低速冲击和准静态压痕损伤等效性的研究

通过对低速冲击试验和准静态压痕试验进行对比,获得了冲击能量(准静态压痕力)与层压板损伤面积、损伤宽度和凹坑深度的三组对应关系。分析表明,损伤面积、损伤宽度和凹坑深度均可作为损伤参数来建立低速冲击和准静态压痕损伤的等效性。当冲击能量或准静态压痕力达到一定值后,三组对应关系曲线上出现拐点,两类试验的拐点相差很小,且两类试验的变化趋势相同,初步说明了用准静态压痕试验替代低速冲击试验是可行的,同时在较低冲击能量(拐点值之前)下准静态压痕力近似等于相对应的冲击能量下冲击过程的最大接触力。对两类试验过程进行分析,准静态压痕试验的初始分层载荷较冲击试验稍低,但两类试验过程中载荷的变化趋势相同,进一步说明了低速冲击试验和准静态压痕试验损伤的等效性。

平面编织复合材料层压板低速冲击损伤和压缩失效行为

对平面编织复合材料层压板进行不同能量的低速冲击试验和冲击后压缩试验,分析表面凹坑深度、损伤面积以及剩余压缩强度与冲击能量的关系。对压缩后层压板的断口进行宏观观察,分析不同等级损伤对压缩失效特征的影响。结果表明:冲击损伤分为无损伤、前表面目视勉强可见、前表面目视可见及穿透性损伤四个等级,不同等级损伤的失效特征不同;随着冲击能量的增大,表面凹坑深度逐渐增大,二者之间并不满足线性关系,存在着拐点,损伤面积也逐渐增大,在达到穿透性损伤后基本不变;剩余压缩强度逐渐降低,损伤面积和剩余压缩强度最后都有变缓的趋势。

普通凹坑对管道爆破压力的影响分析

文中总结了国内外标准对普通凹坑尺寸的规定及存在的问题。采用有限元方法,模拟了管道上不同深度普通凹坑生成过程,以及在内压作用下普通凹坑中心点的应力变化过程。研究了无约束和受约束普通凹坑对管道爆破压力的影响,得出无约束普通凹坑对管道爆破压力没有影响,凹坑深度超过20%OD的受约束普通凹坑对管道爆破压力影响较大的结论,并对普通凹坑的处理提出了建议。

基于LS-DYNA海底悬空管道受坠物碰撞动力响应分析

基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件,采用非线性动力有限元法,对坠物撞击海底管道的过程进行数值仿真。通过大量的数值模拟得出:相同坠落物能量的情况下,悬空管道的凹陷损伤深度与裸露管道的相比偏小,且随着坠落物能量的增加,其差值增大;随着坠落物速度、坠落物质量的增大,管道撞击部位凹陷变形加剧,海底管道悬空段的最大振动幅值增大;相同坠落物能量的情况下,坠落物与悬空管道的接触面积越小,悬空管道的损伤深度越大;海床土体参数(剪切弹性模量、内摩擦角、密度)的变化对悬空管道的凹陷损伤深度及悬空段的最大振动幅值的影响较小。

复合材料冲击损伤阻抗性能的试验研究

通过对多种复合材料体系试样的冲击阻抗试验研究,发现对同一种复合材料层压板的冲击能量-凹坑深度曲线均存在拐点。其物理本质是在出现拐点后内部的分层损伤叠加面积基本上不再增加,其力学性能表现为压缩剩余强度基本上不再降低,其表观现象是表面冲击部位开始出现纤维断裂。

复合材料层合板静压痕接触的等效弹性模量

在复合材料层合板静压痕接触问题中,由于层合板接触区域的纤维走向发生了变化,导致沿厚度方向的弹性模量产生变化并随着凹坑深度的增加而增大。本文建立压头压入后的力学分析模型,得到了与凹坑深度相关的沿厚度方向的等效弹性模量;将等效弹性模量代入目前被广泛接受的修正Hertz接触理论,建立了新的接触力与凹坑深度的关系式。通过与静压痕试验中接触力和凹坑深度的关系进行比较,结果表明该接触关系式能较好地描述接触力和凹坑深度的关系。与文献修正理论相比,在压痕较小时,本文的修正结果较好。

Preliminary Study on Evaluation System of Capability of Composites to Withstand Impact

This paper summarizes the authors’ experimental study on the characterization system of composite behavior to withstand impact. The content includes: (1)The dent depth is the best parameter describing the impact damage state. (2) There exists the knee point phenomenon for damage resistance behavior (i.e. the relationship between impact energy or contact force and dent depth) and damage tolerance behavior (i.e. the relationship between dent depth and compressive failure strain or stress) of composite laminates. (3) The physical meaning of the knee point phenomenon is that the failure mechanisms change of damaged composites to fiber breakage in the first front plies from matrix crack and delamination. Some suggestions on the characterization system of composite behavior to withstand impact were proposed.

基于LS-DYNA海底悬空管道受坠物碰撞动力响应分析（英文）

基于ANSYS/LS-DYNA动力学分析软件,采用非线性动力有限元法,对坠物撞击海底管道的过程进行数值仿真。通过大量的数值模拟得出:相同坠落物能量的情况下,悬空管道的凹陷损伤深度与裸露管道的相比偏小,且随着坠落物能量的增加,其差值增大;随着坠落物速度、坠落物质量的增大,管道撞击部位凹陷变形加剧,海底管道悬空段的最大振动幅值增大;相同坠落物能量的情况下,坠落物与悬空管道的接触面积越小,悬空管道的损伤深度越大;海床土体参数(剪切弹性模量、内摩擦角、密度)的变化对悬空管道的凹陷损伤深度及悬空段的最大振动幅值的影响较小。

X80管道焊缝凹陷应力应变特征数值计算分析

针对含焊缝凹陷管道的失效和损伤问题,以X80管线钢为研究对象,基于热弹塑性理论对焊缝的熔覆过程进行了有限元模拟。将焊接残余应力以初应力方式与管道凹陷结合,研究了管道焊缝凹陷的应力-应变分布特征,并探讨了凹陷深度和内压对焊缝凹陷的影响。结果表明,焊缝凹陷应力-应变分布受约束、凹陷深度和焊缝余高的影响;焊接残余应力沿着焊缝至管道两端的方向逐渐减小,焊缝凹陷会导致焊接残余应力重分布,离凹陷越近,残余应力重分布越彻底;凹陷深度的变化不改变焊缝凹陷的应力-应变分布模式,只会影响焊缝凹陷的影响范围;内压会增大焊缝凹陷区域的应力,但不影响含焊缝凹陷管道的应力分布模式。

油气管道凹坑缺陷研究分析

通过对六条已建管线,3724余公里管线的凹陷变形进行统计分析,表明单纯采用凹坑深度不小于2%OD这一评判标准来确定是否对凹坑缺陷进行修复是不全面的,以国际相关标准为基准,引出了二级评价指标——应变,分别对液体管道、气体管道提出了凹坑缺陷极限修复要求。

坠物撞击下裸置海底管道凹陷损伤数值模拟研究

本文采用三维非线性动态有限元法分析了不同撞击能量下裸置海底管道受坠物撞击的凹坑损伤变化规律。首先通过与实验测试结果的对比验证了管道受坠物碰撞的有限元数值模型的可靠性,然后选取不同海床土体力学性质、管道沉陷深度、管道边界条件等参数对海底裸置管道坠物撞击损伤的影响进行了分析,最后将DNV规范及经验公式计算结果与有限元数值模拟结果进行了对比分析。结果表明:海床土体力学性质、管道沉陷深度和管道边界条件对管道的凹陷损伤程度具有显著影响,DNV规范及经验公式计算值偏大,结果偏于保守。

含凹陷管道的适用性评价

凹陷作为管道缺陷的一种常见形式,严重威胁着管道的安全运行,甚至引发管体失效。对比国内外管道凹陷评价准则,分析各评价方法的优缺点和科学性,并提出基于深度的评价准则已不能满足工程应用,对于深度大于6%管道直径的凹陷,应进行有限元分析。针对中国石化现场的2处管道凹陷进行几何形状检测,采用有限元方法对管道进行适用性评估,获得管道的应力应变。结果表明,2处管道凹陷的深度、应力和应变均超出许用值,建议进行换管及B套筒修复。

CFRP层合板低速冲击响应及损伤特性研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)层合板低速冲击力学性能,开展了铺层顺序为[454/ 454]4T 的 CFRP 层合板落锤低速冲击试验。研究了条形冲锤冲击角度和半球形冲锤直径两个影响因素下的 CFRP层合板低速冲击力学响应,同时通过凹坑深度和分层损伤面积研究了层合板低速冲击损伤特性。试验结果表明:当条形冲锤冲击角度与层合板表面纤维方向平行时以及以较小直径的半球形冲锤冲击时,最大中心位移和能量耗散较大,凹坑深度和分层面积也较大;在冲锤直径和冲击角度两个单因素变量下,凹坑深度与分层损伤面积成正相关;直径为 10 mm的半球形冲锤冲击层合板时,在凹坑区域存在明显的纤维断裂;14 mm 和 16 mm 半球形冲锤冲击时,损伤虽目视可见,但未见明显纤维断裂。

船舶抛锚对浅水区埋置管道的损伤分析

针对浅水区海底埋置管道受船锚冲击后的安全性问题,提出重力式抛锚作业船锚下落速度的计算方法,应用ABAQUS有限元软件建立数值模型,采用CEL方法模拟船舶抛锚撞击埋置管道的动态过程,分析抛锚水深、船锚入泥角度以及管道埋置深度对管道受船锚撞击的损伤影响。结果表明,给定型号的船锚抛锚水深小于船锚达到平衡速度的水深时,海底管道受船锚撞击的损伤程度随抛锚水深增加而增大;船锚入泥角度超过15°后,抛锚撞击管道的损伤程度随入泥角度增大而减小;海底管道受船锚撞击的凹陷深度随管道埋置深度增加成反比关系。

复合材料层合板静压痕试验及全过程数值分析

复合材料层合板在静压痕力作用下主要发生层间分层、基体开裂、基体压缩破坏、纤维断裂和纤维压坏这几种损伤模式。本文利用ABAQUS有限元程序,对在静压痕力作用下的复合材料层合板建立一个基于Hashin强度准则的全过程模型,并对各层各单元进行损伤演判。利用有限元模型对碳纤维NCF材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线进行预测,并模拟层合板的损伤全过程,以及预测凹坑深度与静压痕力的关系曲线。对层合板进行静压痕试验,测试复合材料层合板在静压痕力作用下的荷载-位移曲线,并在试验过程中用凹坑深度仪测量层合板的凹坑深度。将数值模拟与试验结果比较,两者结果较为吻合。

复合材料加筋层合板准静态压痕实验研究及数值分析

利用ABAQUS有限元程序所建立了一种基于用户子程序USDFLD和Hashin强度准则的复合材料损伤计算模型,用该模型对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下主要发生的纤维拉伸破坏、纤维微屈破坏、基体拉伸破坏、基体压缩破坏、层间拉伸破坏、层间压缩破坏这几种基本损伤模式进行分析。对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下进行损伤全过程数值研究,利用该有限元模型预测复合材料层合板静压痕力作用下的荷载-位移曲线以及凹坑深度与静压痕力的关系曲线。数值仿真与实验结果吻合较好,表明该损伤模型方法的可行性。复合材料层合板加筋后拐点处的凹坑深度明显加大,达到0.84mm。通过对加筋板的刚度和强度失效规律的分析,为进一步的复合材料格栅加筋结构(如飞机结构中复合材料后压力框)的性能分析提供参考。

T800级碳纤维复合材料抗冲击性能

对相同铺层比例、不同厚度的A,B,C三组T800级碳纤维复合材料层板进行多种冲击能量的冲击实验,测试冲击后凹坑深度、剩余压缩强度及压缩破坏应变等性能。结果表明:复合材料的冲击能量-凹坑深度曲线和凹坑深度-剩余压缩强度曲线均存在拐点,A组拐点位置为0.70 mm,B组拐点位置为0.76 mm,C组拐点位置为0.45 mm,均小于目视勉强可见冲击损伤(BVID)对应的凹坑深度(1.3 mm);同一铺层比例下,复合材料层合板厚度越大,其抗冲击损伤性能越好。

考虑内外压差作用的海底管道撞击凹陷预测模型建立及参数敏感性分析

针对海底管道受撞击损伤问题,基于塑性基础弦模型将管道的弯曲及轴向拉伸与塑性地基弦的地基反力及轴力相类比,从而将海底管道变形分为纵向的拉伸和环向的弯曲,进而建立了管道两端固支条件下考虑内外压差影响的撞击凹陷预测模型,通过与规范中推荐的经验公式及有限元模拟结果的对比验证了预测模型的可靠性。通过参数敏感性研究分析了管道撞击凹陷深度的主要影响因素,包括内外压差、径厚比及塑性区的边界等,结果表明:对受撞击的海底管道,管道内部流体在承受撞击力的过程中也起到了不可忽视的能量吸收作用,且在同样大小的撞击力条件下,管道压力等级越大,管道的径厚比越大,塑性区边界长度越短,其凹陷深度越小,但径厚比增加到一定程度后对减小凹陷的影响是有限的。本文研究可为海底管道的设计和安全评估提供新的参考依据。

基于有限元仿真的喷丸工艺参数对冲击坑形状和尺寸的影响

喷丸工艺是一种有效提高工件疲劳寿命和改善工件表面完整性的表面处理方法,被广泛应用于航空、航天、船舶、汽车等军民用领域。研究表明,弹丸冲击金属材料表面形成的冲击坑形状和尺寸与工件表面完整性有重要的对应关系,表面完整性是影响结构零部件工作质量、寿命和可靠性的重要因素。本文应用有限元分析的方法系统地研究了喷丸处理过程中的一些关键参数对形成的冲击坑形状和尺寸的影响,结果显示,弹丸速度、直径、材料、重复冲击次数对冲击坑的尺寸影响显著,同时,弹丸的屈服应力对冲击坑的形状影响显著,而弹丸与靶材之间的摩擦系数对冲击坑的形状和尺寸影响都较小。冲击坑直径比的饱和值为2.5,冲击坑深度比的饱和值为0.2。将冲击坑模拟结果与Nobuyuki等人用ANSYS软件所模拟的结果进行对比,结果吻合得较好。本文有限元模拟的结果,可用于对生产实际中喷丸工艺参数的优化,对新机研制中的飞机壁板等零件的喷丸成形工艺制定具有重要的指导意义。