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(shè)規(guī)模日趨大型化、巨型化。由于高性能鋼材的應(yīng)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(shè)計(jì)的控制性因素。但目前壓力管道設(shè)計(jì)的理論與方法缺乏相應(yīng)的研究成果，國內(nèi)外一直在沿用傳統(tǒng)的解析法或半經(jīng)驗(yàn)公式，但這些公式的計(jì)算模型有很大的局限性，所以國內(nèi)、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(jìn)行

2、幾何描述，構(gòu)造既滿足協(xié)調(diào)性又滿足剛體位移及常應(yīng)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(fù)雜。 鑒于以上情況，本文開拓性地將無單元數(shù)值方法及實(shí)驗(yàn)仿真分析技術(shù)應(yīng)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?fàn)顩r及壓力管道外壓穩(wěn)定性分析理論與方法進(jìn)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(jì)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(zhuǎn)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(xué)化。 其次，本文改進(jìn)與發(fā)展了新興的無單元法。提出了構(gòu)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(gòu)造場函數(shù)的合理內(nèi)核，保持了無單元法構(gòu)造場函數(shù)的“局部性”、“移動性”及“高階完備性”等特點(diǎn)，也保持了有限元法構(gòu)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(yùn)算以及場函數(shù)不過點(diǎn)擬合形成本質(zhì)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(jì)算，不可避免會遇到影響區(qū)計(jì)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(zhǔn)則)，有關(guān)幾何量難以計(jì)算，而此處的影響域計(jì)算很重要，本文提出了新的計(jì)算準(zhǔn)則——弦弧準(zhǔn)則，新準(zhǔn)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(wǎng)格內(nèi)的高精度積分技術(shù)進(jìn)行了研究。 再者，本文還用張量分析的工具導(dǎo)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(dǎo)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(zhuǎn)殼。本文將加肋殼體看成殼與厚曲梁的組合結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)解析法的物理模型，新模型更能真實(shí)反映鋼管受力及變形狀態(tài)。然后，本文又構(gòu)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(diǎn)工作之一，還創(chuàng)造性設(shè)計(jì)了負(fù)壓加載的壓力管道失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)方案，并用緩壓罐減緩加載速度以觀察失穩(wěn)的詳細(xì)過程。用本實(shí)驗(yàn)技術(shù)，成功地考