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含内部随机点蚀的2D圆环管道模型屈曲研究

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2019年第12期52卷 1219-1226页

作者：余建星金成行余杨王华昆谭玉娜水利工程仿真与安全国家重点实验室(天津大学) 天津300072 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

通过建立有限元模型分析了内部随机点蚀对外压作用下2D圆环屈曲压力的影响.由于管道内部多相流侵蚀-腐蚀的影响,管道极易在6点钟方向产生内部沟槽腐蚀和点腐蚀,进而导致管道损坏失效.内部腐蚀是造成深海管道损坏失效的重要因素,针对内... 详细信息

通过建立有限元模型分析了内部随机点蚀对外压作用下2D圆环屈曲压力的影响.由于管道内部多相流侵蚀-腐蚀的影响,管道极易在6点钟方向产生内部沟槽腐蚀和点腐蚀,进而导致管道损坏失效.内部腐蚀是造成深海管道损坏失效的重要因素,针对内部随机点蚀对管道屈曲压力影响的问题,将用户自定义的Python程序嵌入Abaqus有限元数值模拟软件进行研究.把管道简化为2D圆环模型,利用Python程序中均匀分布随机数生成器,建立多个随机点蚀圆片模型;根据内部随机点蚀的特点,采用随机数发生器得到在2D圆环内表面3点钟到9点钟方向随机分布的点蚀坐标;在整体坐标系下完成模型装配后,运用Abaqus软件中的布尔切割运算功能建立了含内部随机点蚀的2D圆环有限元模型.使用上述模型研究了外压作用下内部随机点蚀对圆环屈曲压力的影响,模型校准后基于该2D圆环模型开展了参数敏感性分析,研究结果表明椭圆度、径厚比和腐蚀比是影响2D圆环屈曲压力折减系数的主要因素.基于多参数非线性回归分析,建立了椭圆度、径厚比和腐蚀比3个参数对外压作用下含内部随机点蚀2D圆环屈曲压力折减的经验公式.研究结果可为内部随机点蚀作用下的海底管道的极限强度评估和剩余寿命分析提供参考.

关键词：随机点蚀深海管道屈曲压力敏感性分析

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随机点蚀对Q460等边角钢抗拉性能的影响

科学技术与工程 2021年第12期21卷 4882-4890页

作者：王雪飞郭耀杰孙云鲍超武汉大学土木建筑工程学院武汉430072

为了揭示点蚀损伤对构件破坏模式和极限承载力的影响机理,完善腐蚀角钢构件的力学性能评估体系,基于腐蚀试验数据和数值模拟,提出针对随机点蚀角钢构件的有限元模型构建方法,研究腐蚀损伤体积、蚀坑尺寸和蚀坑分布位置对Q460点蚀等边角... 详细信息

为了揭示点蚀损伤对构件破坏模式和极限承载力的影响机理,完善腐蚀角钢构件的力学性能评估体系,基于腐蚀试验数据和数值模拟,提出针对随机点蚀角钢构件的有限元模型构建方法,研究腐蚀损伤体积、蚀坑尺寸和蚀坑分布位置对Q460点蚀等边角钢构件极限抗拉承载力的影响,并根据其极限抗拉承载力劣化规律,采用非线性回归的方式拟合了点蚀角钢极限抗拉承载力的折减公式。结果表明,随机点蚀角钢的极限抗拉承载力退化整体上与腐蚀损伤体积呈正相关,蚀坑半径和蚀坑分布位置对承载力的影响较小,但蚀坑深度和蚀坑分布范围的影响不容忽视,拟合的点蚀角钢极限抗拉承载力的折减公式较刚度折减法和厚度折减法误差更小,准确度较高,可见其适用于点蚀角钢构件极限抗拉承载力的计算,可以应用到实际工程分析中。

关键词：随机点蚀等边角钢极限承载力有限元

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随机点蚀损伤钢管桩码头的地震易损性分析

随机点蚀损伤钢管桩码头的地震易损性分析

作者：徐玉明中国矿业大学

学位级别：硕士

在码头工程设计领域,国外的主流标准规范已采用基于位移的抗震设计方法,而国内仍采用《水运工程抗震设计规范》(JTS146-2012)这一基于力的设计规范,未能体现基于性能的抗震设计理念。此外,海洋环境中的氯离子侵蚀会导致结构产生损伤,影... 详细信息

在码头工程设计领域,国外的主流标准规范已采用基于位移的抗震设计方法,而国内仍采用《水运工程抗震设计规范》(JTS146-2012)这一基于力的设计规范,未能体现基于性能的抗震设计理念。此外,海洋环境中的氯离子侵蚀会导致结构产生损伤,影响结构抗震性能,如何描述结构的锈蚀程度是一个值得研究的问题。针对以上问题,本文考虑了码头结构不同程度的锈蚀损伤,对一处典型的高桩码头结构进行地震易损性分析。本文的主要研究内容如下:1)考虑客观自然锈蚀现象的不确定性,利用随机过程理论来描述锈蚀。首先提出了一种生成随机点蚀模型的算法并根据单轴拉伸试验得到Q345钢材的应力应变曲线,然后基于此构建了200个随机点蚀损伤的单轴拉伸试件有限元模型,展开非线性分析,研究在多种点蚀强度、蚀坑深度和蚀坑半径下,试件的屈服强度和极限强度退化规律;基于足够的样本进行线性回归分析,探究含蚀坑钢材的断裂位置;根据随机过程理论中预测了点蚀损伤结构的屈服强度和极限强度,最终利用Gamma模型得到了点蚀损伤结构的屈服强度和极限强度的概率退化模型,即以体积损失率为自变量的概率密度函数。2)考虑桩土效应,基于OpenSEES计算平台构造了一个由五排钢管桩与多层土壤海床土体组成的高桩码头结构的三维有限元模型,主要模拟结构和岩土系统的地震响应,并且利用已有实验对本文的桩土模型进行了验证。动力时程分析的内容包括:靠海侧与靠陆侧土层各高程位置的位移与加速度响应、桩顶(甲板)位移、桩身位移、桩轴力、桩剪力、桩身弯矩、桩截面曲率、桩身各处加速度响应和震后残余位移等。3)考虑地震动不确定性以及随机锈蚀导致的材料性能不确定性,基于前文得出的锈蚀钢材强度退化概率模型对应不同的锈蚀率生成地震动-结构样本、建立结构的概率地震需求模型。选用峰值加速度(PGA)作为地震动强度参数,甲板位移延性系数和钢管截面曲率延性系数作为结构损伤参数,考虑锈蚀的影响进行码头结构的地震易损性分析,绘制结构地震易损性曲线,得到结构在遭受某种强度地震灾害时损伤破坏的概率与程度。该论文有图70幅,表24个,参考文献106篇。

关键词：随机点蚀钢管桩码头地震易损性动力时程分析

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局部随机点蚀下圆管截面极限强度退化规律

海洋工程 2019年第3期37卷 111-119页

作者：王仁华郭海超江苏科技大学土木工程系

针对构件外表面局部区域遭受随机点蚀损伤的圆管截面,考虑点蚀随机特性的影响,建立包含点蚀坑细节的精细有限元模型;在多种腐蚀强度下,研究局部腐蚀的点蚀区分布位置(沿轴向和周向分布位置变化)及其形状(点蚀区长度和宽度独立或联合变化... 详细信息

针对构件外表面局部区域遭受随机点蚀损伤的圆管截面,考虑点蚀随机特性的影响,建立包含点蚀坑细节的精细有限元模型;在多种腐蚀强度下,研究局部腐蚀的点蚀区分布位置(沿轴向和周向分布位置变化)及其形状(点蚀区长度和宽度独立或联合变化)影响轴压极限强度退化的规律;并比较局部随机点蚀与局部均匀腐蚀引起构件极限强度退化的差异。研究结果表明,尽管局部随机点蚀与最大初始几何缺陷的耦合作用会使极限强度的退化趋于严重,但是总体而言点蚀区分布位置变化对圆管极限强度的退化没有显著的影响。此外,同等腐蚀体积和腐蚀面积下,相比于长窄式局部腐蚀,短宽式局部腐蚀会引起更严重的极限强度退化,在严重腐蚀情形下后者导致的强度退化会高出25.5%;相比于局部均匀腐蚀,局部随机点蚀会导致更剧烈的极限强度退化,其不利影响可高出20.7%。

关键词：局部腐蚀随机点蚀圆管截面极限强度点蚀损伤强度退化

圆钢管截面极限强度受随机分布点蚀的影响研究

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海洋工程 2018年第6期36卷 101-108页

作者：王仁华仝泽军郭海超孙洁江苏科技大学土木工程系江苏镇江212003 江南造船(集团)有限责任公司上海201913

提出一种随机分布点蚀损伤的模拟方法,模拟点蚀在构件表面的随机生长过程,并建立了随机态点蚀损伤圆管截面的有限元分析模型;设计了三个受不同腐蚀深度点蚀损伤的圆管构件,并开展轴压试验,利用试验结果校验有限元模型的计算精度;在多种... 详细信息

提出一种随机分布点蚀损伤的模拟方法,模拟点蚀在构件表面的随机生长过程,并建立了随机态点蚀损伤圆管截面的有限元分析模型;设计了三个受不同腐蚀深度点蚀损伤的圆管构件,并开展轴压试验,利用试验结果校验有限元模型的计算精度;在多种腐蚀情形下(点蚀强度和腐蚀深度变化),研究点蚀分布模式变化引起的极限强度退化及其变异性;比较随机分布点蚀模型与传统腐蚀模型(规则分布点蚀和均匀腐蚀)在计算强度和结构失效行为方面的差异。研究结果表明,点蚀的随机分布模式会引起显著的极限强度变异,且蚀坑深度越大,强度变异越大,蚀坑分布造成的强度极差与强度均值相比达到5%;随机分布点蚀相比于传统腐蚀模型,除了引起更为严重的强度削减,还会改变结构的破坏模式。提出的随机点蚀损伤的模拟方法,可替代昂贵的构件试验,应用于评估点蚀损伤圆管截面的极限强度,增强评估结果的可靠性。

关键词：随机点蚀圆管截面轴压试验极限强度失效模式

随机点蚀损伤钢管在CFRP加固后的抗压性能数值研究

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江苏建筑 2021年第S1期 19-21,59页

作者：姚潞郭容孙洪浩李春江刘红梅陆亮亮南通大学交通与土木工程学院江苏南通226019 南通大学机械工程学院江苏南通226019 南通产业技术研究院有限公司江苏南通226019

文章主要开展随机点蚀损伤下CFRP加固钢管极限抗压强度的数值模拟研究。首先建立了随机点蚀损伤钢管的有限元数值模型,研究不同随机点蚀损伤对钢管轴向压缩强度的影响,随后对点蚀损伤钢管进行CFPR加固处理,研究CFRP加固后钢管的轴向压... 详细信息

文章主要开展随机点蚀损伤下CFRP加固钢管极限抗压强度的数值模拟研究。首先建立了随机点蚀损伤钢管的有限元数值模型,研究不同随机点蚀损伤对钢管轴向压缩强度的影响,随后对点蚀损伤钢管进行CFPR加固处理,研究CFRP加固后钢管的轴向压缩响应以及渐进损伤机理,证明CFRP对点蚀损伤钢管压缩力学性能的有效改善。

关键词：随机点蚀 CFRP加固数值模拟轴向压缩

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随机点蚀对Q460等边角钢受压性能的影响

随机点蚀对Q460等边角钢受压性能的影响

随机锈蚀H型钢梁腹板承载力退化及概率分布特征研究

中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会第17届（ISSF-2...

作者：王雪飞郭耀杰孙云鲍超武汉大学土木建筑工程学院

针对经常暴露在腐蚀性较强环境中的输电铁塔,其构件在遭受不用程度的腐蚀,造成受力性能发生变化的问题。本文以遭受随机点蚀的Q460受压角钢为研究对象,运用ANSYS建立了随机点蚀受压角钢的有限元模型,采用控制变量法,研究了损伤腐蚀体积... 详细信息

针对经常暴露在腐蚀性较强环境中的输电铁塔,其构件在遭受不用程度的腐蚀,造成受力性能发生变化的问题。本文以遭受随机点蚀的Q460受压角钢为研究对象,运用ANSYS建立了随机点蚀受压角钢的有限元模型,采用控制变量法,研究了损伤腐蚀体积、点蚀尺寸、点蚀位置、长细比等不同因素对角钢的受力性能影响;并采用非线性回归的方式拟合点蚀角钢受压极限承载力的折减公式。研究结果表明:随机点蚀角钢的极限承载力退化与DOV正相关,且点蚀能够影响构件的失稳模态以及局部失稳发生的位置,点蚀尺寸差异所引起的极限承载力退化并不明显,但点蚀位置和构件长细比的影响均不容忽视。所提出的计算公式可为随机点蚀角钢受压极限承载力的计算提供参考。

关键词：随机点蚀 Q460等边角钢极限承载力有限元分析

来源： cnki会议评论

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随机锈蚀H型钢梁腹板承载力退化及概率分布特征研究

作者：代博志辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

H型钢梁已被广泛应用于高层建筑结构、海洋建筑结构及工业化结构中。然而,长期处于腐蚀环境下的钢结构工程最容易发生锈蚀,锈蚀能引起钢结构截面的减小,使钢材表面变得粗糙不规则,严重影响钢构件的强度及稳定性。在实际情况下,钢梁腹板... 详细信息

H型钢梁已被广泛应用于高层建筑结构、海洋建筑结构及工业化结构中。然而,长期处于腐蚀环境下的钢结构工程最容易发生锈蚀,锈蚀能引起钢结构截面的减小,使钢材表面变得粗糙不规则,严重影响钢构件的强度及稳定性。在实际情况下,钢梁腹板的表面最容易发生点蚀。本文使用随机有限元的方法研究点蚀对钢梁腹板承载力的影响,考虑了质量损失率、几何参数以及锈蚀厚度、大小和位置等参数分析钢梁腹板承载力的退化规律,揭示了钢梁腹板承载力折减系数对锈蚀厚度概率分布模型的影响。在经过大量随机有限元的分析结果提出了预测钢梁残余承载力的解析方法,结果表明,该方法预测锈蚀H型钢梁腹板残余承载力具有较高的精度,为评估钢梁使用寿命及维护条件提供理论和方法。具体的研究内容如下:(1)揭示了随机点蚀对H型钢梁腹板抗剪承载力的影响,并验证了有限元模型的准确性。研究特定锈蚀厚度和随机锈蚀厚度对钢梁腹板抗剪承载力的影响,探讨了质量损失率与抗剪承载力之间的关系,提出了一种预测锈蚀钢梁残余抗剪承载力的理论方法,该方法对预测锈蚀H型钢梁的抗剪承载力具有较高的准确性。所提出的方法适用于正则化长细比λ小于1的钢梁。(2)研究了锈蚀对单向受压矩形简支板屈曲后强度的影响。通过理论分析与有限元结果对比,验证了有限元模型的可靠性。根据随机有限元的大量分析结果研究不同宽厚比b/t钢板的适用性,提出了预测锈蚀钢板屈曲后强度折减系数的概率分布模型理论计算公式。提出了锈蚀钢板等效厚度b/t的测定方法,研究结果为揭示锈蚀钢板的屈曲行为奠定了基础。(3)分析了随机锈蚀对H型钢梁腹板局部承载力的影响,探讨了特定锈蚀位置和随机锈蚀位置对钢梁腹板局部承载力的变化规律。通过随机有限元的大量分析结果,揭示了局部承载力折减系数随锈蚀厚度概率分布模型变化规律,提出了用于预测局部承载力折减系数上限和下限曲线的理论计算公式。所提出的方法可以准确预测随机锈蚀H型钢梁腹板局部承载力折减系数的随机概率分布模型。该论文有图90幅,表2个,参考文献60篇

关键词： H型钢梁腹板随机点蚀质量损失率抗剪承载力局部压应力屈曲后强度概率分布模型

裂纹和点蚀联合损伤下圆管构件的轴压极限强度研究

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裂纹和点蚀联合损伤下圆管构件的轴压极限强度研究

作者：王志文江苏科技大学

学位级别：硕士

钢结构在各项工程中的应用越来越广泛。而在海洋环境中极容易遭受腐蚀破坏,其中点蚀是最为常见的类型。在风、波浪等循环荷载下,构件在蚀坑处容易萌生出裂纹。结构的整体失效往往是由于某个构件的局部或整体失效所导致。因此,精准评估... 详细信息

钢结构在各项工程中的应用越来越广泛。而在海洋环境中极容易遭受腐蚀破坏,其中点蚀是最为常见的类型。在风、波浪等循环荷载下,构件在蚀坑处容易萌生出裂纹。结构的整体失效往往是由于某个构件的局部或整体失效所导致。因此,精准评估腐蚀环境中构件的极限强度对结构的整体失效行为至关重要。本文通过数值模拟的方法研究裂纹、点蚀和二者联合损伤对圆管构件轴压极限强度的影响。发现了裂纹和点蚀的影响规律,阐明了裂纹和点蚀对圆管强度影响的方式,分析了倾斜裂纹损伤圆管和联合损伤圆管强度预测方法的可行性,并且分别以最小截面积损失率(R)和腐蚀体积损失率(DOV)为变量开发了损伤圆管的强度预测公式,主要工作如下:(1)以圆管构件为研究对象,建立裂纹和点蚀的圆管模型。首先,对模型的网格收敛进行了分析确定了不同损伤下网格尺寸;研究裂纹尖端和初始的缺陷的影响,结果表明半圆形裂纹尖端变形比较平缓,不同的初始缺陷对圆管强度影响不明显。然后,分别利用已报道的试验来验证有限元模型,结果表明裂纹模型验证误差最大仅为-2.2%,而点蚀模型验证误差最大为3.1%,且在损伤圆管的失效模式上展现了高度的一致性,说明了本研究有限元模型的正确性。(2)研究裂纹的长度、位置和角度对圆管强度的影响规律,结果表明,裂纹越长、越靠近管中部、裂纹角度越小,其极限强度退化越严重,其中当处在管中部的裂纹长为2倍管半径、角度为0°时,强度退化最大高达28.5%。而在研究另一种损伤类型的点蚀损伤中,研究其蚀坑参数对圆管极限强度的影响规律。结果表明,用腐蚀体积损失率(DOV)能够更好的体现圆管极限强度的变化规律,其中在随机点蚀DOV 12%下管强度退化最严重达32.4%。在相同的DOV下,随机点蚀损伤管圆管的强度退化要比规则点蚀高出8.6%。(3)通过研究联合损伤中其裂纹和点蚀的影响。结果表明,当圆管构件遭受点蚀损伤时,裂纹的影响规律与单一裂纹对圆管的影响规律类似。规则点蚀和裂纹的联合损伤对圆管造成的强度削弱要高于随机点蚀和裂纹的联合损伤。分析其原因发现,深度较大且并排的规则蚀坑和裂纹交叠造成的截面削弱程度比随机点蚀与裂纹交叠更为严重。研究还表明,联合损伤下,蚀坑深度平均值不同其圆管强度变化差异不明显;而深度标准差越大,圆管极限强度削弱越严重。(4)无论圆管是否遭受点蚀损伤,倾斜裂纹管强度都可以用向圆管横截面方向的投影长度来预测,这种简化中,超过95%的圆管构件其误差在5%以内。联合损伤下引起的圆管强度退化并不等于两者单独作用时引起的强度退化之和,特别是点蚀强度较高,两者叠加会低估圆管极限强度的退化,最大低估达8.4%。相比之下,以R为变量,通过参数拟合开发的强度公式来评估损伤圆管强度,有近84%的构件强度预测误差在-7.0%～9.0%内。以DOV为变量的强度公式,近100%的构件强度预测误差在-6.0%～6.0%内。同时利用公式预测现有的实验结果以及本文不同尺寸的圆管结果,发现利用腐蚀体积损失率能够更准确的评估圆管的极限强度。

关键词：圆管截面随机点蚀裂纹损伤极限强度强度评估