玄武岩纤维缠绕成型管道的损伤及承载能力研究

玄武岩纤维增强复合材料(basalt fiber reinforced composite, BFRP)具有耐腐蚀性强、比强度高、环保等优点,正确评价BFRP管道性能的可靠性和承载能力是将其应用于高附加值的油气输送领域的基础。对于玄武岩纤维(basalt fiber, BF)缠绕成型的复合材料管道,首先在细观尺度上获得浸胶纤维束的强度。然后,沿着管道的轴向和环向分别截取试件,测量了两种试件的拉伸强度;基于试验结果和有限元模拟,研究了管壁结构层在拉伸、压缩以及剪切载荷作用下的损伤演化,得到结构层的宏观本构模型。最后,建立了BF缠绕成型管道的有限元模型,研究纤维性能离散对管道承载能力的影响。结果表明,纤维有效含量对管道承载能力的影响很大,从纤维生产和管道成型工艺等方面降低纤维增强作用的离散性对于准确预测管道的承载可靠性,推动BF复合材料在油气管道领域的应用至关重要。

新型深海风机钢管桩基础安装用导向架结构优化

为解决水深45.000 m深海风机钢管桩基础安装作业可靠性差和精度低等问题,对一种新型深海风机钢管桩基础安装用导向架进行结构优化。采用有限元法(Finite Element Method, FEM)与试验相结合的方法,从环境参数与作用载荷、结构形式、作业工况和结构强度与结构稳定性等方面对导向架进行综合研究。经海试验证,优化的导向架的打桩精度与打桩高效性均满足技术指标要求,可大幅提高深海风机钢管桩基础安装作业速度和质量。

基于PLC的缠绕型管材切割锯的电气控制设计

针对以往多重增强钢塑复合压力管切割工作效率低、切面不平整的问题,设计了一款定长切割系统。使用PLC控制电机驱动,介绍了系统的机械结构以及触摸屏界面的设计。运用传感器对输入信号进行转换,PLC控制各个部分的电机,实现各功能模块的控制管理。工程的前期调试以及后续投入生产表明:此切割锯运行平稳,切口平整,设计合理,可单机操作也可联机操作,实现手动切割和自动化定长切割,满足使用要求。

平均流风能采集器声共振增强的数值模拟

平均流风能采集器利用声共振现象实现风能的采集。为了提高风能采集器的效率,应增强封闭管道侧支管的声共振。本文采用计算流体力学方法,使用ANSYS Fluent对封闭侧支管内的声共振进行数值模拟,湍流模型采用Realizable k-ɛ延迟分离涡模型模拟了不同截面形状的管道对声共振的影响。模拟结果表明:模拟可以准确地捕捉到发生声共振的流速范围;采用圆形截面管和方形截面管的等效直径方法预测声共振是可行的,且方形截面管的声共振压力脉动幅值比圆形截面管的声共振压力脉动幅值明显增大;主管道与分支管的夹角会对声共振产生显著影响,改变分支管的角度可以增强声共振,因此,有一定主管道与分支管夹角的方形截面管更有利于提高风能的收集效率。

输电塔圆钢管的涡激振动气动控制研究

作为一种力学性能卓越的输电塔类型,钢管塔在工程中应用广泛。然而,当钢管塔材长细比较大且趋于水平布置时,钢管杆在风速较小时容易发生涡激振动。在长期运行过程中,这种持续反复的振动可能造成钢管塔构件的疲劳破坏,塔体结构一旦发生破坏,将直接威胁到电网的稳定运行。针对该问题开展研究,采用大尺寸真型钢管杆件,通过风洞试验分别研究了螺旋形扰流线和被动吹气套环2种涡激振动气动控制措施。分析不同螺旋线数量、螺距和不同孔厚、孔型对涡振控制效果的影响规律。研究结果表明:单螺旋线控制效果一般,三螺旋线最多可以削减97.7%的涡振,套环控制最多可以削减75.5%的涡振。文中使用足尺模型以满足雷诺数需求,实现更接近输电塔钢管真实环境的研究,为实际工程中钢管涡激振动抑制提供参考和借鉴。

计及电磁-传热影响的蒸发冷却风力发电机定子铁心穿管结构优化设计

采用自循环式蒸发冷却技术是提升大容量风力发电机组散热能力和可靠性的一种经济且有效的方式,然而在传统电机的分析设计和性能预测过程中,往往会忽略定子局部穿管结构的改变对电机电磁性能的影响,同时也会忽略这部分接触热阻在热传导过程中对电机冷却性能的影响。对此,该文首先基于风力发电机的运行特性和单元灵敏度方法分析了定子铁心穿管结构对电机电磁及冷却性能的影响,然后通过小倾角自循环管道换热实验以及接触热阻温升实验对空心圆铜管的换热能力以及接触热阻进行了分析和测试,最后建立了以电磁及传热性能为优化目标的铁心穿管结构优化策略,并以一台10 MW永磁直驱式风力发电机为研究对象,对定子铁心穿管结构开展了优化设计研究。通过优化方案的有限元分析验证说明,提出的优化策略可以准确且有效地满足电机电磁和冷却性能的设计要求,同时从电磁和散热两个维度来评估,所提出的优化策略同样适用于相同应用场景下的其他永磁同步电机。

海上嵌岩钢管桩内卷边切割机器人的设计研究

海上风电桩在基础打桩过程中,容易造成钢管桩下端内卷边,这会增加下插的阻力,须将影响下钻的内卷边切除,提高风电桩插桩效率。现阶段内卷边的处理多是潜水员下水切割,处理过程较为繁琐,难以应对复杂的工况,且有一定的危险性。为解决以上问题,设计了一种用于海上嵌岩式钢管桩内卷边切除的切割机器人。通过对钢管桩内卷边切割现有的施工工艺和施工作业要求进行分析,总结了内卷边切割机器人所需满足的设计要求,提出了适用于切割钢管内卷边的多轴联动机器人系统;确定了总体方案,对内卷边切割机器人的力学性能进行分析,并进行具体结构设计。基于SPH-FEM耦合算法,对磨料水射流切割钢管壁过程进行研究,确定切割工艺参数,对射流反作用进行分析,并结合切割参数进行算例验证。理论分析以及仿真模拟验证表明,所设计的内卷边切割机器人符合施工要求,能改善海上嵌岩式钢管桩内卷边的精确切除问题,有助于完善海上风电桩基础施工工艺的完整性,可为后续内卷边处理技术的发展提供经验。

寒区隧道竹缠绕排水管保温设计及效果分析

针对寒区隧道中心排水管发生冻结问题,以兰州市某隧道为工程背景,研究新型竹缠绕中心排水管的周边温度场和保温性能。利用数值模拟软件建立两种中心排水管模型进行计算对比,并结合现场监测数据,提出合理的排水管道设计参数。结果表明:(1)采用浅埋中心排水管设计方案能有效改善竹缠绕排水管道周围的温度场,并验证方案可行性;(2)采用竹缠绕排水管道,使低温环境下最大冻深不超过90cm;(3)通过现场应用竹缠绕排水管道具有良好的抗冻保温效果,具有一定的推广意义。

小角度缠绕复合材料护岸管桩抗弯性能试验与设计

本文提出一种新型复合材料护岸管桩。该护岸管桩由纤维缠绕工艺制备的复合材料缠绕管制成。通过四点弯曲试验,得到试件的破坏模式以及荷载-位移关系,以此分析缠绕角度±55°、±15°以及是否浇筑混凝土对护岸管桩抗弯性能影响。结果表明:纤维缠绕角度由55°减小为15°与浇筑混凝土都能极大提高复合材料护岸管桩的刚度和抗弯承载力。在此基础上进行复合材料护岸管桩嵌固端深度计算公式推导,并给出护岸管桩的设计流程以及应用建议。这为之后复合材料护岸管桩应用于护岸工程提供了参考。

超长距离掘进巷道通风安全保障技术研究

为了确保超长距离巷道掘进通风系统平稳运行,以31采区支架专用运输巷掘进通风为例,通过计算工作面用风量并考虑长距离通风时风筒漏风情况,综合选择了大功率局部风机,实施了变频通风和柔性风筒将阻措施,并制定了长距离通风安全保障措施。实践表明,31采区支架专用运输巷掘进工作面通风稳定,供风量在592 m~3/min左右,风速在0.33 m/s左右,风量和风速始终在合理范围内,充分保障了工作面良好的工作环境。

分层回填施工过程竹缠绕复合管涵力学性能研究

为解决竹缠绕复合管涵在分层回填的施工控制问题,并研究此过程中管涵的力学性能,文中通过现场试验,监测2m埋深竹缠绕复合管涵施工过程变形与与力学响应,建立了基于连续壳复合材料叠层的有限元分析模型。数据分析表明,土压力、管底沉降均随回填高度增加线性增大,浅埋阶段,受施工扰动影响,实测值偏大;回填完成后,管涵的计算与模拟竖向变形率分别为1.32%、1.57%,均满足规范要求。建议竹缠绕复合管涵管底沉降与管涵横截面变形可作为施工质量控制指标;所建立模型能较为保守地预测管土响应,可为后续研究提供参考。

玻纤增强柔性管结构敏感性研究与数值分析

针对在海洋油气开采中传统钢管质量大、易腐蚀老化等问题,亟需找到一种质量小、强度高且耐腐蚀的新型柔性管道,选用玻纤增强柔性管开展了研究,基于复合材料层合板理论建立了玻纤增强柔性管的理论模型,采用ABAQUS建立了管道整体的有限元模型,通过相关文献验证了模型的准确性,分析了缠绕角度在拉伸、压缩、弯曲、拉伸-弯曲以及压缩-弯曲5种荷载工况下对管道应力的影响,并着重分析了拉伸工况下增强层缠绕层数对管道应力的影响.结果表明:柔性管增强层是管道主要的承载结构.综合5种工况模拟结果,得到柔性管增强层最佳缠绕角度为(±45°)~(±55°),增强层缠绕层数在4~16层时,柔性管承载能力有较大提高,超过16层后,承载能力无明显提高.

高墩格构式支架风致响应和扭转效应分析

针对格构式高支架杆件长、直径小、整体结构轻极易受到风荷载影响的问题,采用有限元模拟的方法建立四腿和六腿格构式高支架精细有限元模型,并通过时域法对模型进行修正,得出格构式高支架在10级风荷载作用下的位移,获取风振系数并对扭转响应和扭转风荷载进行分析。结果表明,四腿单柱格构式高支架在10级风下纵桥向的最大位移为85.9 mm,六腿格构式高支架在10级风下纵桥向的最大位移为42.8 mm,精细有限元模型可以很好地模拟两种不同工况下风荷载对杆件的影响。

王坡煤矿碎软煤层气动定向高效成孔工艺研究

针对王坡煤矿碎软煤层区域瓦斯治理的需求,对现有气动定向钻进工艺及装备进行优化升级。通过对气动螺杆钻具升级改造,将额定扭矩提升至450 N·m以上;研制的89 mm低风阻螺旋通缆钻杆配套有线通缆测量系统,施工孔深提升至300 m以上;基于“波浪式”精准探测煤层顶底板钻孔轨迹工艺,从侧钻开分支原理出发,改进钻具造斜强度实现快速开分支;系统性分析气动定向工艺在不同地层钻进时轨迹变化特点,形成精准轨迹控制技术,大幅提升施工效率。现场试验期间,共计完成34个主孔,49个分支孔,总进尺17 287 m,平均成孔深度350 m,平均日进尺103 m/d,最高154 m/d,钻孔平均瓦斯抽采体积分数60%以上,百米钻孔抽采纯量是邻近区域普通钻孔2.7倍。

搭载给水管的宽幅流线型钢箱梁涡振性能及抑振措施研究

为研究给水管不同设置位置对宽幅流线型钢箱梁的涡振性能影响及涡振抑制措施,以某大跨度扁平钢箱梁斜拉桥为研究对象,制作缩尺比为1:50的钢箱梁刚性节段模型进行风洞试验和数值模拟计算。首先对比分析了风攻角为0°、±3°时,给水管设置在主梁风嘴内(Ⅰ型)和设置在桥面上(Ⅱ型)两种不同断面形式的主梁涡振特性;并采用数值模拟探究了给水管对主梁涡振性能影响的作用机理。其次,研究了结构阻尼比对Ⅰ型断面主梁涡振性能的影响;最后,通过试验测试了栏杆透风率、栏杆抑流板等气动措施对Ⅰ型断面主梁涡振性能的影响。试验结果表明:给水管是涡振敏感构件,对于Ⅰ型断面,风攻角为-3°时,主梁未出现涡振现象;风攻角为0°时,有小幅涡振响应;风攻角为+3°时,出现明显的涡振现象;Ⅱ型断面主梁无涡振现象发生。数值模拟结果显示,给水管放置在主梁外部可以有效降低上表面旋涡的尺寸,从而抑制涡振的产生。增大结构阻尼比可以有效抑制主梁的涡振;改变栏杆透风率抑振效果不明显;设置抑流板对抑振效果明显。

高应变动测技术在如东海域大直径钢管桩基工程中的应用研究

基于江苏如东海域三根大直径敞口钢管桩的初打和复打高应变动测试验数据,提出了适用于该海域的桩端折减系数η的推荐值和承载力恢复计算公式,为该海域大直径钢管桩基础的承载力评估提供了技术依据。敞口钢管桩高应变试验数据显示,试验桩侧阻力的恢复系数都远大于端阻力的,且桩侧阻力随时间增长显著,但端阻力的增长却很小。基于此,推荐如东海域大直径敞开钢管桩的桩端阻力折减系数η取0.05进行估算。此外,通过桩基土体恢复和增长机理探讨,提出桩基承载力恢复计算公式,且验证误差在10%以内。

风电安装船主弦管吊装工装设计与强度校核

为保证海上风电安装船吊装的绿色和经济性,以某风电安装船桩腿主弦管吊装为例,对现行船厂主弦管吊装方案进行分析,提出新型主弦管吊装工装结构,并采用有限元方法对不同工况下主弦管起吊阶段的受力与变形情况进行分析。结果表明:新型主弦管吊装工装结构的强度满足规范要求。研究成果可为风电安装船主弦管吊装工装设计提供一定参考。

含椭圆缺陷输氢柔性复合管弯曲特性研究

为研究初始椭圆缺陷对输氢柔性复合管服役性能的影响,建立弯曲载荷作用下含缺陷柔性复合管数值模型,研究了不同椭圆缺陷幅值、缺陷角度和缠绕角度对输氢柔性复合管弯曲刚度、强度的影响。结果表明,弯曲载荷下纤维-基体剪切应力是引发复合管失效的关键因素之一;缺陷幅值对输氢柔性复合管强度、刚度的性能影响受缺陷角度的控制,缺陷角度为45°时输氢柔性复合管弯曲刚度对缺陷不敏感,椭圆缺陷长轴偏离弯矩方向时可缓解初始缺陷对弯曲强度的影响,椭圆缺陷长轴方向与弯曲载荷作用方向一致时输氢柔性复合管承载能力最弱;小缠绕角度有利于提高输氢柔性复合管的弯曲承载能力,但会增加其刚度;大缠绕角度可降低输氢柔性复合管弯曲刚度对缺陷幅值敏感性,但会增加弯曲强度对缺陷幅值的敏感性。

碳捕集电厂-电转气联合运行模式下考虑绿证-碳交易机制的综合能源系统低碳经济调度

为提高综合能源系统(integratedenergysystem,IES)的风电消纳水平,降低系统碳排放,该文提出一种碳捕集电厂–电转气联合运行模式下考虑绿色证书交易机制与阶梯式碳交易机制的综合能源系统低碳经济调度策略。首先构建绿色证书交易模型与阶梯式碳交易模型,并以绿证历史交易作为依据考虑绿证数量影响绿证交易价格的市场均衡关系;然后构建碳捕集电厂综合灵活运行模型与电转气两阶段精细化模型,将绿证–碳交易机制引入计及碳捕集电厂与电转气设备联合运行模式的综合能源系统调度中;此外兼顾气网与热网动态特性提高调度策略的灵活性以及决策结果的精确性。最后在算例中对所提调度策略进行对比分析,结果表明所提策略可能够开阔风电消纳空间,提高系统经济性以及降低碳排放水平。

基于Winding number积分方法求解输流管特征方程

Winding number积分方法是一种用于求解复特征值问题的有效方法。在用传递矩阵法分析输流管道的稳定性时,最终需要求解临界流速的特征方程。该特征方程属于复特征值问题,可应用Winding number积分方法来很好的处理。本文以输流直管为例,阐述了该方法的基本思想和计算的方法及步骤,并对典型边界条件下的特征方程进行求解,验证了Winding number积分方法在求解复数方程根时的有效性。最后,在此基础上研究了弹性支撑的刚度系数对输流管道稳定性的影响。