有缺陷壓力鋼管穩(wěn)定性問題仿真分析研究.pdf

1、大型水電站及高水頭大容量抽水蓄能電站的興建，使水電站壓力鋼管的建設規(guī)模日趨大型化、巨型化。由于高性能鋼材的應用，使水電站壓力鋼管建造越來越柔薄，因此壓力鋼管穩(wěn)定性成了壓力管道設計的控制性因素。但目前壓力管道設計的理論與方法缺乏相應的研究成果，國內外一直在沿用傳統(tǒng)的解析法或半經驗公式，但這些公式的計算模型有很大的局限性，所以國內、外時常有水電站壓力管道失穩(wěn)破壞的事故發(fā)生。有限元方法是一個很好的數(shù)值方法，但用一般殼體理論，需要較多的參數(shù)進行

2、幾何描述，構造既滿足協(xié)調性又滿足剛體位移及常應變要求的單元來求解常常帶有缺陷的加肋薄殼穩(wěn)定性問題非常復雜。 鑒于以上情況，本文開拓性地將無單元數(shù)值方法及實驗仿真分析技術應用于壓力管道外壓穩(wěn)定性問題的研究。 首先，本文對無單元法發(fā)展狀況及壓力管道外壓穩(wěn)定性分析理論與方法進行了系統(tǒng)地分析與研究，建立了具有初始幾何缺陷的、幾何非線性加肋薄殼外壓穩(wěn)定性分析計算的新模型，同時，還創(chuàng)造性地將混凝土與鋼管間的縫隙轉化成薄殼的初始幾何缺

3、陷，使過去對此類缺陷的研究更加科學化。 其次，本文改進與發(fā)展了新興的無單元法。提出了構造無單元法場函數(shù)的新方法，該方法繼承了無單元法及有限元法構造場函數(shù)的合理內核，保持了無單元法構造場函數(shù)的“局部性”、“移動性”及“高階完備性”等特點，也保持了有限元法構造場函數(shù)的“直接性”及“插值性”，克服了無單元Galerkin法隱性求場函數(shù)的大量求逆運算以及場函數(shù)不過點擬合形成本質邊界不易處理而影響無單元法發(fā)展的兩大“瓶頸”問題；針對非凸區(qū)

4、邊界(如裂紋尖端、尖銳凹角等)處的高梯度場計算，不可避免會遇到影響區(qū)計算受到邊界阻斷的情況，無單元法目前對此處理的幾個公式(準則)，有關幾何量難以計算，而此處的影響域計算很重要，本文提出了新的計算準則——弦弧準則，新準則既簡便又有效；另外，還對不規(guī)則邊界區(qū)域在高斯積分網格內的高精度積分技術進行了研究。 再者，本文還用張量分析的工具導出了厚曲梁的一般幾何方程，用微分幾何、矢量分析的工具導出了具有任意初始幾何缺陷薄殼的非線性幾何方程

5、，該幾何方程可以很方便的退化到完善殼、線性殼及其它特殊殼體，如柱殼及球殼等旋轉殼。本文將加肋殼體看成殼與厚曲梁的組合結構，改變了傳統(tǒng)解析法的物理模型，新模型更能真實反映鋼管受力及變形狀態(tài)。然后，本文又構造了厚曲梁的無單元法形函數(shù)，該形函數(shù)能使厚曲梁退化到薄曲粱時，避免“閉鎖”現(xiàn)象的發(fā)生。 最后，作為本文的重點工作之一，還創(chuàng)造性設計了負壓加載的壓力管道失穩(wěn)實驗方案，并用緩壓罐減緩加載速度以觀察失穩(wěn)的詳細過程。用本實驗技術，成功地考