穿越平移断层海底埋地管道屈曲失效分析

长输海底管道常不可避免地穿过地震断层,地震断层活动可能导致管道发生扭曲、皱折甚至断裂,极大威胁管道安全。采用创新性的向量式有限元方法 (VFIFE)分析穿越地震断层海底管道屈曲失效行为,首先推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式,提出适用壳单元的非线性管土耦合模型,然后重点解决了海底管道屈曲及屈曲传播过程中存在的内壁自碰撞接触问题,编制了Fortran计算程序和相应后处理程序。通过文献对比证明了模型的正确性。开展了平移断层作用下空载状态海底管道屈曲失效过程模拟,分析了穿越角度、土体性质和水压大小对海底管道屈曲失效行为的影响,结果表明:海底管道径厚比小,用钢等级高,周围土体强度低,具有更高的抵抗断层位移载荷能力;较低外压和平移断层联合作用下,管道变形呈S形,屈曲失效由断层位移引起的过度弯曲主导,失效模式是第二个弯曲处或者两个弯曲处的受压侧出现明显内陷,截面变形呈椭圆形;穿越角度越小,屈曲失效的临界断层位移越小;周围土体强度越高(砂土>黏土>淤泥夹砂),管道弯曲变形越严重,屈曲失效的临界断层位移越小;较高外压和平移断层联合作用下,屈曲失效由外压主导,主要模式是第一个弯曲处或者第二个弯曲处首先出现压溃,然后发生屈曲传播现象;不同水压和平移断层位移组合下海底管道破坏程度不一,压溃位置、屈曲传播方向和范围、截面变形呈现不同模式。结果可用于指导穿越地震断层海底管道抗震设计和止屈防护研究。

非定常流下Wells涡轮机准静态分析方法研究

以Wells涡轮机为研究对象,通过求解RANS方程和Spalart-Allmaras模型实现数值仿真模拟,研究非定常流下Wells涡轮机的准静态分析方法。通过网格独立性分析和已有文献对比,验证计算模型的准确性。计算并对比定常流、振荡流和往复流工况中Wells涡轮的性能,结果显示非定常流下Wells涡轮机会发生迟滞现象。通过振荡流和往复流的流动频率影响分析,说明非定常流下Wells涡轮机准静态分析方法的可行性和局限性:准静态分析对于较低流动频率的非定常流工况准确性较高,但对于较高流动频率误差较大。

基于向量有限元的深水管道屈曲行为分析

局部屈曲破坏是深水管道运行的最大安全问题之一。采用创新性的向量式有限元方法(VFIFE)分析深水管道结构屈曲行为,推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式,编制Fortran计算程序和MATLAB后处理程序,开展外压下深水管道压溃压力和屈曲传播压力计算、压溃和屈曲传播过程模拟。开展全尺寸深水管道压溃试验,进行深水管道压溃压力和压溃形貌分析,对比验证了VFIFE、试验、传统有限元方法(FEM)得到的结果。结果表明:VFIFE能够直接求解管道压溃压力和屈曲传播压力,模拟管道屈曲和屈曲传播行为,计算结果符合实际情况,与压溃试验、传统有限元方法符合较好,并具有不需特殊计算处理、全程行为跟踪等优势,可以为深水管道结构屈曲行为分析提供一套新的、通用的分析策略。