TOPOLOGY OPTIMIZATION OF TRUSS STRUCTURES WITH SYSTEMATIC RELIABILITY CONSTRAINTS UNDER MULTIPLE LOADING CASES

In this paper, a mathematical model for topology optimization oftruss structures with constraints of displacement and systemreliability under multiple loading cases is constructed. In order toavoid the difficulty of computing the structure's system reliability,a solving approach is presented in which the failure probability ofsystem is divided into the sum of a all bars' failures probability bymeans of reliability distribution. In addition, by drawing into thereliability safety factor and the fundamen- tal relationship instructural mechanics, all probability constraints of displacement andstress are equiv- alently displayed as conventional form and linearfunction of the design variables.

大型飞机多支柱交联式起落架一体化载荷校准及建模研究

针对某大型飞机多支柱交联式起落架结构受力及传力特点,首次采用一体校准、独立建模的载荷试验方法,三支柱起落架侧挂正向一体安装、一体加载,解决了多支柱之间的载荷影响问题。根据交联式多支柱结构受力及传力特点,进行应变电桥及载荷工况设计,载荷工况既包括常规的单支柱加载,还包括满足多支柱影响的两支柱及三支柱组合加载工况。提出了多支柱广义响应系数概念,并通过广义响应系数对支柱之间的影响效果进行分析,显示支柱载荷向前单向传递,后支柱影响紧邻前支柱,前支柱不影响后支柱。据此提出了支柱独立建模、载荷逐次迭代、基于广义响应系数的支柱消扰载荷建模方法,获得了满足精度要求的载荷模型。

超深井套管卡瓦效应的拉伸极限载荷理论计算

针对新疆某油田超深井井口套管悬重过大,造成卡瓦牙对套管外壁齿入损伤,且累计损伤导致卡瓦悬挂器套管断裂失效的事故频繁,提出了“卡瓦效应的拉伸极限载荷”来评价井口卡瓦悬挂器夹持部分套管的强度设计,具体为基于第三强度理论和第四强度理论,分别建立了井口卡瓦悬挂器夹持套管的“卡瓦效应拉伸极限载荷”计算模型。计算结果表明,从安全角度评价套管强度,采用第三强度理论计算卡瓦悬挂器套管的卡瓦效应拉伸极限载荷更合理,但为更充分利用材料的力学性能,应采用第四强度理论进行评价,还得到在四通有限空间内,可以保证有较大的卡瓦效应拉伸极限载荷的最佳卡瓦半锥角为23°~25°,最佳卡瓦有效接触长度为135~145 mm。研究方法和结果将为卡瓦悬挂器井口套管的强度设计、各种安全施工作业等提供理论依据。

输电线路下击暴流强风荷载最不利工况研究

对流天气引起的下击暴流已经成为我国中东部地区输电线路风灾破坏的主要原因。下击暴流风场的特异性造成现有规范无法适用,开展下击暴流输电线路设计风荷载的研究成为提高电网安全性亟待开展的课题。介绍了下击暴流的数学风场模型并用于计算输电线路风荷载,采用非线性有限元方法对杆塔受到的导线风荷载开展了风场及线路结构参数分析,着重考察了最大导线风荷载对应工况。研究结果表明:(1)直线塔与耐张塔最大横向荷载值相同,但后者最大纵向荷载值显著大于前者;(2)直线塔的最大横向荷载和纵向荷载塔位分别出现于八跨输电线路的端部和次端部直线塔,耐张塔则出现于四跨输电线路;(3)最大导线风荷载与出流直径、中心相对位置、塔位及跨数密切相关,均存在特定的最不利工况。通过对风荷载影响因素和分布规律的总结,最终给出了三种代表性最不利导线风荷载工况的归一化风场参数,为输电线路抗下击暴流导线风荷载的合理取值提供了数据支撑。

高速注采储气库井套管螺纹密封性研究

套管螺纹密封性是影响周期性高速注采作业的储库气井安全性的关键因素,因此保证储气库井的密封性完整极其重要。需要重点研究储气库井注采过程中对其套管柱密封性的影响,特别是循环注采过程中产生的交变载荷对储气库套管柱特殊螺纹接头密封结构性能的影响。基于有限元法理论,针对中国北部某储气库井所选用的特殊螺纹接头,结合储气库井实际工况和现场数据,建立套管接头螺纹有限元计算模型,研究了循环注采条件下,温度、注采压力、轴向载荷及点蚀对储气库套管螺纹密封状态的影响。结果表明,温度对套管螺纹接头的结构完整性和密封完整性影响较小,注采压力、轴向载荷和点蚀对其影响较大,需控制在一个较低值。研究可为储气库井套管柱密封失效判定及其套管柱设计提供参考。

冲击作用下钢护筒复合桩塑性区形成及迁移机制

为探究钢护筒复合桩在冲击作用下塑性区形成和迁移机制,基于经摆锤冲击试验验证的钢护筒复合桩船舶撞击数值模型,通过对比钢护筒复合桩(SCC桩)和普通钢筋混凝土桩(RC桩)塑性区产生和发展的异同,以及不同钢护筒尺度下基桩塑性区的形成和分布规律,深入分析了钢护筒复合桩在冲击荷载作用下塑性区域的产生和演化情况,探索了钢护筒长径比和厚径比对基桩塑性区域的影响规律。研究表明,钢护筒缩短了冲击作用下基桩的塑性区发展时间,使同种桩基中不同桩身位置的塑性区的产生部位趋于一致,增加了基桩参与受力的范围;钢护筒入土深度的增加和厚度的减小均导致基桩塑性区域向钢护筒包裹段转移,厚度偏小的钢护筒容易在冲击荷载作用下产生局部屈曲,导致基桩远离冲击侧也产生塑性区。

空转工况风力发电机组叶片失速振荡研究

在风力发电机组吊装完成和高风速切出或故障切出时,机组保持在空转停机状态。在现场特定风况和特定机组状态组合下,叶片容易发生由动态失速导致的振荡现象,极大威胁叶片疲劳寿命和机组安全性。根据IEC 61400-1规范中的要求,机组处于空转停机状态,应考虑极端风速模型(EWM)。针对叶片长度分别为92、97、112 m 3款叶片进行建模分析,研究机组发生失速振荡的内在规律和抑制手段。通过对机组在0~360°风向、场址极端风速以及降低风况条件进行Bladed仿真,发现3款机组均在1只叶片竖直向下位置附近、风向30°和330°附近容易发生叶片失速振荡现象。基于失速振荡发生较为集中的工况,通过调整桨距角能够实现对振荡幅值的抑制;针对不同气动外形,抑制效果有一定差别。

AutoLoad Pro在装载方案设计中的应用

分析了Auto Load Pro的优势,在此基础上探讨了Auto Load Pro2008在包装箱、箱式货车、集装箱装载方案设计中的实例应用。

高桩梁板码头系船柱下方空间穿管结构设计

为提高高桩梁板码头下方空间的利用率,并使管线敷设更为有序化和集约化,结合工程案例,提出了在系船柱结构基础内穿管的设计理念,有效缩短了管线路径、减少了转弯接头。对比预留孔和预埋套管2种敷设方式,从结构受力、耐久性、施工期安装和使用期检测等多方面综合考虑,提出了推荐方案。通过Midas Civil三维软件单元建模,对系船柱扩大段等各节点进行复核计算分析,并在施工完成后,对系船柱进行原位加荷测试试验,双向验证系船柱基础下方开孔对码头结构的整体稳定性影响较小,码头结构安全可靠。

机动载荷下高压压气机变形控制及结构优化研究

以某成熟发动机为对象,开展高压压气机机匣结构对叶尖间隙影响分析。建立计算模型,通过有限元数值模拟,得到压气机机匣结构在机动载荷作用下对叶尖间隙的影响规律,并对机匣结构进行优化以改善机匣在机动载荷作用下的变形。结果表明,高压压气机采用双层机匣结构能够增加压气机的纵向刚度,减小机匣的最大变形,使得叶尖间隙变化更为均匀。通过结构优化能够降低内层机匣的径向变形和相对椭圆度,减少机动载荷对叶尖间隙的不良影响。

壳体厚度对装药爆炸冲击波特性影响研究

为了研究壳体厚度对装药爆炸形成空气冲击波影响规律,以3种典型厚度2A12铝合金壳体为研究对象,开展铝合金壳体装药爆炸空气冲击波特性数值模拟研究。采用AUTODYN软件分别建立不同厚度壳体装药爆炸作用过程仿真模型,计算分析了空气冲击波峰值超压、压力冲量及其传播特性。进而利用仿真软件对空气冲击波峰值超压、压力冲量试验进行仿真分析,空气冲击波峰值超压仿真结果与试验结果吻合较好,冲击波的压力冲量仿真结果与试验结果误差较大,但整体变化规律一致。结果表明:随着壳体厚度的增加,相同距离处空气冲击波的压力冲量逐渐减小,且空气冲击波峰值超压减小。增加壳体厚度对空气冲击波的压力冲量无明显的贡献。同时,数值模拟方法及参数可以较准确计算空气冲击波峰值超压。

压裂工况下近井筒地应力及套管载荷分布规律研究

为了研究水力压裂工况下套管损坏机理及套管载荷影响因素,开展了储层岩石力学参数测试,建立了套管-水泥环-地层-裂缝的多场耦合有限元分析模型,分析了水力压裂扩展时近井筒地应力及套管载荷的分布规律及影响因素。研究结果表明,储层中天然裂缝的存在引起水力裂缝的非均匀扩展,套管承受非均匀载荷;当储层地应力差增加、弹性模量降低时,近井筒地应力及套管载荷增加;天然裂缝数量及天然裂缝分布形态对近井筒地应力及套管载荷的影响较为复杂。研究结果为页岩储层优化固井设计及压裂设计、减少套管损坏问题提供了理论依据。

四川盆地昭通页岩气水平井水力压裂套管外载分析

针对昭通页岩气示范区水力压裂过程中的套管损坏问题,基于套管变形特征及理论分析,建立了套管-水泥环-地层组合体数值模型,研究温度效应、裂缝网络诱导应力、微裂隙、地层滑移及固井质量等因素增大套管外载的作用机制。研究表明:水力压裂导致压裂改造区域地应力场非均匀变化,并在水平井跟端及中部区域大幅增加地应力场及最大水平地应力与垂向地应力差;裂缝网络诱导应力、温度效应、微裂隙、地层滑移及固井质量缺陷均会增大套管外载,其中,水力压裂产生的诱导应力增加套管外载的作用最为显著,这可能是水平井跟端及中部区域套管损坏概率高的主要原因;由于高施工压力及高应力差,昭通区域层理、天然裂缝等弱面在水力压裂过程中易发生剪切滑移,当弱面与井筒夹角为45°时,套管变形量及受力最大。该研究结果可为页岩气田水平井套管强度设计及套管变形预防提供指导。

长引水道高水头电站不同负荷条件甩荷对蜗壳压力的影响研究

为研究采用集中供水布置型式的长引水道高水头电站蜗壳进口端内水压力极值工况及其内在影响机理,在相同上下游水位的前提下,以有压输水系统瞬变流分析的特征线法(MOC)为基础,融合跟踪机组运行轨迹的单纯形寻优法以及系统状态方程,对单台和两台机组在不同负荷时的甩荷工况进行过渡过程数值模拟计算。结果表明:单机、两机以20%额定功率运行甩荷后易发生首相水锤,为蜗壳进口断面内水压力的极值工况。蜗壳进口端内水压力极值出现在导叶小开度运行时甩部分负荷的工况。蜗壳进口断面内水压力初始值和极值大小与机组负荷相关,机组初始出力越少,引水系统中水头损失越小,蜗壳进口端初始压力越高,甩荷后该断面内水压力值越高,且部分负荷运行甩荷后压力衰减速度越慢。机组运行方式对蜗壳进口端内水压力值及峰值出现时间有一定影响。研究成果可为同类型水电站的设计和运行维护工作提供参考。

应力环加载装置对抗SSC试验结果的影响分析

抗硫化物应力腐蚀试验使用应力环对腐蚀试样轴向施加一个恒定的载荷,试验中发生试样未到规定时间就发生断裂的现象,观察断口的宏观特征为脆性断裂,断口平直,属于拉伸断裂。分析原因是应力环环体没有固定,加载时试样夹持装置的上下夹具中心线与试样轴线存在重合度偏差,同轴度误差使试样加载产生扭转载荷,导致试样早期断裂失效。建议在应力环加载试验中,固定应力环环体底座,设置调节螺栓专用卡槽,采取数字显示百分表准确显示加载位移,降低试验因素引起的试样断裂失效。

交变热载荷下水泥环缺陷对储气库井储层段套管的影响

水泥环缺陷可能诱导储气库井储层段套管在循环注采条件下发生失效。为了揭示水泥环缺陷对储气库井储层段套管完整性的影响,基于弹性力学理论,在储气库井极限压力条件下,考虑循环注采引起的井筒交变热载荷,建立了“套管-含缺陷水泥环-地层”有限元模型。结合中国北部某储气库井作业工况,分别研究在注气(压力50 MPa、温度30℃)和采气(压力28 MPa、温度160℃)条件下,水泥环缺陷形态及其几何参数对储气库井套管应力分布状态的影响规律。结果表明:水泥环点蚀缺陷的环向开度、轴向长度及纵向裂纹的环向开度对套管安全性影响明显;横向剪切错断和微环隙导致套管安全性明显降低,在高温采气生产时套管最大应力接近P110的屈服强度;储气库井注采周期中,下限压力因温度和围压的影响对储层段套管安全性影响更明显,危及储气库井注采过程的安全运行。研究结果可为由生产井改建、新建储气库井储层段套管的完整性提供判断依据。

等直径膨胀套管螺纹接头安全分析

目前螺纹接头性能研究主要集中在常规油套管特殊螺纹接头力学性能分析方面,对膨胀套管螺纹接头在轴向拉伸和压缩载荷、内外压力以及弯矩载荷复合作用下的力学性能分析不足。为研究等直径膨胀套管下入过程中,在复合载荷作用下螺纹接头的力学行为,给螺纹接头的安全分析提供依据,采用三维有限元软件建立等直径膨胀套管特殊螺纹接头数值分析模型,分析了复合载荷对膨胀套管内、外螺纹牙上应力和变形位移分布规律的影响。分析结果表明:在轴向拉伸载荷作用下,随着载荷值逐渐增大,内、外螺纹牙应力值呈现先骤减而后处于逐渐减小的趋势,内螺纹根部出现变形量小、应力值较大的特征;载荷值相同时,承受轴向压缩载荷时螺纹牙上的应力要明显小于承受轴向拉伸载荷时螺纹牙上的应力,变形位移值仅为承受轴向拉伸载荷时螺纹牙上变形位移值的1/2;弯矩会增大螺纹牙上的变形位移,弯矩越大变形量越大,内螺纹根部越容易遭到破坏。研究结论可为等直径膨胀套管下入过程中螺纹接头安全分析提供理论依据。

非均匀载荷下页岩气套管抗挤强度全尺寸试验及新机理

为研究页岩气套管非均匀载荷下抗挤强度及失效机理,采用全尺寸试验方法,开展平面非均匀载荷、弧面非均匀载荷、平面载荷和均匀载荷组合、弧面载荷和均匀载荷组合等4种非均匀载荷情况的试验研究。试验结果表明:非均匀载荷下套管失效机理为套管承载非均匀载荷后,引起的直径变化率发生变化。随着载荷的增大,当直径变化率达到临界状态下,套管发生失效,即达到套管临界承载能力;套管直径变化率与套管抗挤强度近似呈反相关,直径变化率越大,套管的抗挤强度越小。当套管直径变化率小于0.5%时,套管抗挤强度降低不明显,当套管直径变化率≥0.5%时,套管抗挤强度影响显著,套管直径变化率范围为1.0%~2.0%,抗挤性能下降15%~20%。建议页岩气套管可以选择厚壁套管,提高抗径向变形能力,或者基于应变设计理论控制套管径向变形,或者采用弹性介质封固方式以减少外力对套管径向变形的影响,而不是一味追求增加套管的抗挤强度。所得结论对页岩气套管选材或减少页岩气套管失效具有指导作用。

正六边形分形多胞薄壁管设计及多工况耐撞性分析

基于分形理论,提出了一种新型的正六边形分形多胞薄壁管结构,并利用简化的超折叠单元理论及本构单元法推导了正六边形分形多胞薄壁管结构的平均碰撞力表达式。通过对比平均碰撞力理论解析解与数值模拟结果,验证了仿真模型的准确性。借助有限元仿真结果,分析比较了正六边形分形多胞薄壁管结构和当前较好的正六边形多胞薄壁管结构在碰撞角度为0°、10°、20°和30°的多工况下的耐撞性。结果表明:随着碰撞角度的增加,结构的变形模式从渐进折叠屈曲变为整体弯曲变形,吸能效果逐渐减弱。在同等质量下,正六边形分形多胞薄壁管结构吸能效果在各碰撞角度下较当前较好的正六边形多胞结构分别提升了11.81%、5.14%、2.05%和9.60%,证明了基于分形理论设计的薄壁管结构具有较好的耐撞性。

多再入工况下一体化热防护系统拓扑优化设计

一体化热防护系统(integrated thermal protection system,ITPS)需要同时满足承载与隔热的需求.以波纹夹芯方案的ITPS为例,这需要其连接结构具有较高的力学性能与较低的热导率.而再入环境的工况恶劣,如何合理地设计连接结构是ITPS性能提升的关键.为解决这一问题,综合考虑了再入过程中气动热载荷最大时刻和气动压力载荷最大时刻对应的两种极端工况,以应变能和净传热速率的最小化作为目标函数,将质量作为约束条件,对ITPS的连接结构进行了拓扑优化.随后对拓扑优化得到的构型重新建模并进行了热力耦合分析.结果表明,拓扑优化得到的连接结构与文献中的初始波纹夹芯构型和单一工况下拓扑优化得到的构型相比,上面板的最大位移、下面板的温度和质量均有效降低.由于材料用量的减少和结构复杂度的增加,连接结构在应力水平上有所增加,但仍满足使用需求.这表明了考虑多再入工况的拓扑优化策略可以有效提升ITPS的刚度与隔热能力,缓解结构的热短路效应.随着增材制造等相关技术的发展,拓扑优化在ITPS的连接结构以及其他的热结构设计中具有广阔的前景.