学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

裂纹管结构的振动分析研究

作　者: 刘朵
导　师: 朱彤
学　校: 大连理工大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 裂纹管局部柔度方向角接触模型超谐共振
分类号: U171
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 72次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

管道作为一种重要的结构形式,普遍应用于化工和油气储运等工程领域。在大力开采海洋油气资源的今天,海底管道已成为海洋油气集输的最重要方式,连接海上油气田开发的上游和下游,被誉为海洋油气田生命线工程。然而,恶劣的海洋环境使得海底管道不可避免地产生凹痕、裂纹等各种损伤。损伤的累积和扩展将导致管道抗力不断衰减,突发情况下甚至引起海底管线的破裂。这种安全事故不仅对国家造成巨大的经济损失,而且严重污染海洋环境,使局部生态平衡遭到破坏,造成恶劣的社会影响。因此,采用有效的技术手段对海底管道进行结构分析、监测诊断以及安全评价具有重要的理论意义和实用价值。本文针对裂纹管道的振动特性开展了理论研究,其主要内容包括：(1)基于线性断裂力学理论与应变能释放原理,通过分割裂纹微元体建立了管类结构中由不同方向的非贯穿裂纹及贯穿裂纹两种典型裂纹形式在弯矩作用下所引入的附加局部柔度方程,并讨论了轴力和弯矩联合作用下的局部柔度理论；应用适应性Simpson积分算法编写了数值积分程序,求得了弯矩作用下的各局部柔度系数,并通过与Naniwadekar等试验结果或有限元数值计算结果相对比,验证了方向裂纹管局部柔度理论的合理性。该研究工作扩展了裂纹管结构的局部柔度理论,为建立裂纹管分析模型提供了理论基础。(2)利用文中获得的局部柔度系数,讨论了建立方向裂纹管的有限元模型和弹簧铰模型的有效方法；并利用ANSYS软件建立了方向裂纹管的有限元模型,研究了裂纹方向对裂纹管固有频率的影响。分析表明：随着方向角的增大,裂纹管的第一阶固有频率值逐渐增大。裂纹方向作为一种有效的裂纹参数,能够较好地反应裂纹管结构固有振动特性的变化。(3)采用奇异单元和无摩擦接触单元建立了疲劳裂纹管结构的有限元动力接触模型,利用该模型研究了疲劳裂纹在简谐荷载作用下由于裂纹表面的接触效应所导致的呼吸行为,并详细讨论了裂纹方向对呼吸裂纹管非线性动力特性的影响。研究结果表明：当外部激励频率为裂纹结构基频的1／2倍时,呼吸裂纹管发生明显的超谐共振现象,且随着方向角φ的增大,第2谐波分量的幅值不断减小。文中通过能量比率(PER)的概念刻画了结构谐振中系统谐波成分的能量变化。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 研究背景与意义  9-11
  1.2 国内外研究历史与现状  11-14
    1.2.1 结构裂纹模型研究  11-13
    1.2.2 裂纹结构的振动分析研究  13-14
  1.3 本文主要工作  14-15
2 裂纹模型的局部柔度理论  15-31
  2.1 引言  15
  2.2 断裂力学的发展  15-18
    2.2.1 断裂力学的开创人  16
    2.2.2 断裂力学之父  16-17
    2.2.3 弹塑性断裂力学  17
    2.2.4 断裂动力学  17-18
  2.3 线性断裂力学理论  18-23
    2.3.1 裂纹的三种基本类型  18-19
    2.3.2 裂纹尖端弹性应力场和位移场  19-21
    2.3.3 基于应变能释放率的局部柔度理论  21-23
  2.4 特定方向裂纹的局部柔度理论  23-31
    2.4.1 矩形截面梁  23-24
    2.4.2 圆形截面梁  24-26
    2.4.3 非贯穿直裂纹管  26-27
    2.4.4 非贯穿圆周裂纹管  27-28
    2.4.5 贯穿裂纹管  28-31
3 任意方向裂纹的局部柔度理论  31-53
  3.1 圆形裂纹截面  31-33
  3.2 非贯穿裂纹管  33-41
    3.2.1 弯矩作用下非贯穿裂纹管的局部柔度计算理论  33-37
    3.2.2 非贯穿裂纹管局部柔度系数求解  37-39
    3.2.3 非贯穿裂纹管局部柔度系数验证  39-40
    3.2.4 轴力和弯矩联合作用下非贯穿裂纹管的局部柔度讨论  40-41
  3.3 贯穿裂纹管  41-53
    3.3.1 贯穿裂纹管的局部柔度计算理论  42-45
    3.3.2 贯穿裂纹管局部柔度系数求解  45-46
    3.3.3 贯穿裂纹管局部柔度系数验证  46-49
    3.3.4 轴力和弯矩联合作用下贯穿裂纹管的局部柔度讨论  49-53
4 裂纹管的固有振动分析  53-63
  4.1 管类结构的裂纹模型  53-59
    4.1.1 裂纹管的弹簧铰模型  53-56
    4.1.2 裂纹管的有限元模型  56-59
  4.2 裂纹管的固有振动特性  59-63
    4.2.1 裂纹管的有限元模型  59-61
    4.2.2 裂纹方向对裂纹管固有频率的影响  61-63
5 疲劳裂纹管的振动研究  63-73
  5.1 呼吸裂纹模型  63-67
    5.1.1 单自由度系统  63-65
    5.1.2 多自由度系统  65-67
  5.2 疲劳裂纹管的有限元动力接触模型  67-73
    5.2.1 接触单元选择  68
    5.2.2 接触非线性问题求解  68-69
    5.2.3 疲劳裂纹管的非线性振动特性  69-73
6 结论与展望  73-75
  6.1 总结  73
  6.2 展望  73-75
参考文献  75-77
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  77-79
致谢  79-81

裂纹管结构的振动分析研究

内容摘要

全文目录

相似论文