管道的屈曲分析

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管道的屈曲分析

• 压扁深度大于管道直径8%时，影响管道的爆破强度；
• 压扁处容易在疲劳载荷下产生裂纹。
压扁分析的Wierzbicki（维兹比基）模式
• 忽略了环向弯曲和轴向拉伸的塑性相互作用； • 忽略了弹塑性变形的相互作用； • 忽略了应变硬化； • 假定冲击载荷作用于垂直于管道的平面内。
塑性铰
压扁处的位移
临界载荷
直线管道的挠曲微分方程式
Ay P 2By Cy 0
各系数分别为
A EI
B
Ku D1
1
D
C
K 0 D1
2
D
K0
2Ku
EI —管道的弯曲刚度； Ku —土壤对管道的轴向抗力系数； K0 —土壤的压缩抗力系数；
逆解法：假设管道失稳时的弯曲形状为
y f x
y f sin x
弯曲屈曲 U形屈曲双凹屈曲变平化屈曲
屈曲分析的内容
轴向屈曲地下埋设管道
屈曲
上浮屈曲
局部屈曲
地下埋设管道海底埋设管道
机械作用外压
屈曲传播
4-1 地下管道的轴向稳定性
• 在嵌固段，管道所受到的最大轴向力为：
P pD ET A
2t
• 管道轴向稳定性的验算条件
P nPcr
n——安全系数，可取n=0.6~0.75。
0.39D
soh02tg0.7
0.7Ch0
cos0.7
式中： γso——管顶填土的容重，N/m3； φ——土壤内摩擦角； C——土壤粘着力。
当向上弯曲管道的轴向稳定性得不到保证时，可采用增加埋深、设置固定墩或锚固等方法。
4-2 海底管线的上浮屈曲
• 海底（或地震液化土）覆盖土层的刚性较小，管子容易因屈曲而产生向上拱的弯曲变形，称为上浮屈曲。

管道弯曲塑性屈曲应变的评价

ｔｈａｔｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｃａｕｓｅｄｂｙｂｕｃｋｌｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｍｏｒｅｒｅａｓｏｎａｂｌｅｔｈａｎｔｈａｔｏｆｏｔｈｅｒ
ＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｎＰｉｐｅｌｉｎｅＰｌａｓｔｉｃＢｅｎｄｉｎｇＢｕｃｋｌｉｎｇＳｔｒａｉｎ
ＺＨＥＮＧＭａｏｓｈｅｎｇ，ＨＵＪｕｎ，ＴＥＮＧＨａｉｐｅｎｇ，ＺＨＡＯＹｕａｎ
ｂｕｃｋｌｉｎｇｓｔｒａｉｎｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｉｎｍｏｓｔｃａｓｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｅｎｄｉｎｇｐｉｐｅ；ｂｕｃｋｌｉｎｇｃｒｉｔｉｃａｌｓｔａｔｅ；ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｏｖａｌｉｓａｔｉｏｎ；ｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ
（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＥｎｅｒｇｙＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｙｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｈｅｍｉｃｏ７Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，

管道的屈曲分析

—称为管道的失稳波长。
可以求得
EI
4
K0 D 1
2
D
Pcr
2
Ku D 1
1 D
EIK0
D
1
2 D
• 失稳时，轴向位移与横向位移相比只是一个二阶小数，可忽略不计。
4 EI
K0D Pcr 2 EIK0D
适用于直线管道（或曲率半径1000D的弯曲管道）。
土壤的压缩抗力系数K0
弯曲屈曲 U形屈曲双凹屈曲变平化屈曲
屈曲分析的内容
轴向屈曲地下埋设管道
屈曲
上浮屈曲
局部屈曲
地下埋设管道海底埋设管道
机械作用外压
屈曲传播
4-1 地下管道的轴向稳定性
• 在嵌固段，管道所受到的最大轴向力为：
P pD ET A
2t
• 管道轴向稳定性的验算条件
P nPcr
n——安全系数，可取n=0.6~0.75。
• 压扁深度大于管道直径8%时，影响管道的爆破强度；
• 压扁处容易在疲劳载荷下产生裂纹。
压扁分析的Wierzbicki（维兹比基）模式
• 忽略了环向弯曲和轴向拉伸的塑性相互作用； • 忽略了弹塑性变形的相互作用； • 忽略了应变硬化； • 假定冲击载荷作用于垂直于管道的平面内。
塑性铰
压扁处的位移
2 210 103 (1 0.32 )
6
3
273
4.90MPa
4-5 海底管道的屈曲传播
• 局部屈曲 • 屈曲传播 • 止屈措施
1、局部屈曲
• 对管子局部屈曲可定义为：管子截面扁平化或翘曲折皱超过规定的限度。
• 实际管子存在残余的椭圆度，而且还可能产生显著的塑性变形。因此，管道的失稳的临界外压是材料屈服极限的函数。

国内外海底管道屈曲研究进展

《海洋工程结构力学》国内外海底管道屈曲研究进展摘要：海底管道铺设过程中，往往在海底与铺管作业船之间的管道存在着相当长一段的悬跨段，悬跨段长度与水深有关。

在悬跨段经常可能因管子原始的或铺设过程中造成的局部凹陷或损伤而发生屈曲失稳现象。

这种屈曲一旦在管道局部形成，将容易因外部超静水压作用而沿着管道出现纵向屈曲迅速传播，造成危害性较大的传播型屈曲。

这将会严重阻碍管道的正常运行和造成较大的经济损失。

本文即简单评述了国内外海底管道屈曲研究进展情况。

关键词：管道铺设屈曲超静水压Advances on local & global buckling of subsea pipelinesAbstract：When the laying of submarine pipes, there often existence a long period of the suspension span between the seabed and pipe laying ship channel, which length have realated to the depth of water. In spanning the original tubes may often be due to the process or installation or damage caused by depression, while local buckling phenomena occur. Once this form of local buckling in the pipeline made, it will be vulnerable to the external role of super-hydrostatic pressure along the pipeline buckling of vertical spread rapidly, causing the spread of harmful larger type buckling. This will seriously impede the normal operation of pipeline and cause large economic losses. This paper briefly reviews the domestic and buckling of submarine pipelines progress.Key words：Pipe laying Buckling Super-hydrostatic pressure1国内外研究现状当前，海底管道铺设过程的受力性能和屈曲问题引起了广泛的关注，针对该类问题国内外相关学者进行了较为深入的研究。

屈曲分析常用方法

屈曲分析常用方法屈曲（buckling）是指当一个长、细的构件受到压缩力作用时，由于其固有的弯曲刚度过小而导致的失稳现象。

屈曲分析是在结构设计和分析中非常重要的一部分，它能够帮助工程师预测和控制结构在压缩力下的稳定性。

本文将介绍常用的屈曲分析方法。

一、线性弹性屈曲分析方法线性弹性屈曲分析是结构工程中最为常用的方法之一。

它基于线弹性理论，在计算建筑物或其他结构在受压力作用下的屈曲承载能力时非常准确。

采用这种方法时，首先需要定义结构的材料特性和截面形状，然后利用弹性力学理论计算结构的屈曲载荷和屈曲形态。

线性弹性屈曲分析方法的优点是计算简便、准确度高，适用于大部分结构。

二、非线性屈曲分析方法非线性屈曲分析方法更为复杂，它考虑到了材料和结构在屈曲承载能力附近的非线性行为。

这种方法适用于材料有一定塑性变形能力的情况，比如钢材等。

相比于线性弹性屈曲分析方法，非线性屈曲分析方法考虑了材料的刚度退化和强度减小等因素，能够更准确地描述结构在失稳时的行为。

三、有限元分析方法有限元分析方法是一种数值分析方法，它将结构划分为有限数量的单元，通过求解每个单元的力学方程和应变方程来获得结构的整体响应。

在屈曲分析中，有限元分析方法可以采用线性或非线性模型，通过迭代计算得到结构的屈曲载荷和屈曲形态。

有限元分析方法灵活度高，适用于复杂结构的屈曲分析，但需要借助计算机进行计算，计算量较大。

四、实验方法在某些情况下，为了确保对结构的屈曲行为有一个准确的判断，工程师会采用实验方法进行验证。

实验方法可以通过对试验模型施加压缩力并观察其稳定性来判断结构的屈曲承载能力。

这种方法对于复杂结构或者对特殊情况下的屈曲行为有较好的应用效果。

综上所述，屈曲分析的常用方法包括线性弹性分析方法、非线性分析方法、有限元分析方法和实验方法。

工程师可以根据具体的结构情况选择合适的分析方法，预测和控制结构在压缩力下的稳定性，从而保证工程的安全和可靠性。

无单元技术在压力管道屈曲失稳分析中的应用

1
加肋柱壳应变状态分析
如将肋看成厚曲梁，就必须放弃Kirchhoff假设，对剪切变形单独考虑。其实，有限元方法对厚梁、厚板、厚壳的处理是方便的，但有限元不易构造高阶的位移模式，使得这些厚的结构体变薄时产生闭锁现象，得出虚假结论，尽管有缩减积分、杂交模型等方法来处理，但始终不令人满意。本文采用无单元法来处理厚曲梁是因为考虑剪切变形时，无单元法可以构造高阶的完备的多项式，注意各位移分量之间的关系，可以使由厚变薄的曲梁消除剪切及薄膜闭锁，因而对厚、薄曲梁乃至直梁具有通用性。处理厚曲梁的无单元技术可以推广到厚板、厚壳中，可以像肋一样得到适应厚、薄壳分析的一般性理论方法。只是限于本文工程实际及稳定性分析的针对性，这里不用厚壳而针对薄壳进行分析。无单元技术对壳体结构的描述与分析不像有限元法那样受到局限，可以发挥可构造高阶连续形函数的优点，不必顾虑协调性，避开了有限元法分析壳体时的困难，且自由度少，列式简便，本文提出的构造新的形函数的办法，运算量少，边界条件易处理。 1.1 肋的应变状态分析取图1所示一段曲梁， 1 2 3 设放在坐标系xoy中，建立a a a 正交坐标活动标架， AB为深曲梁且只在xoy面内变形。 1 2 3 x=Rcos(S/R),y=Rsin(S/R),z=z, a =t, a =s, a =z。中线上一点C用矢量表示为
[ε ]s
(11)
简记
{ε l }s + {ε 0 }s + {ε N }s
上述三项分为线性项、缺陷项及非线性项。对第二、第三项任意取舍以反应不同的几何变形状态。为便于消除加劲肋的剪切闭锁，需分析加劲肋的内力虚功方程，找出t+R→0时，消除剪切与薄膜变形能的内在机制，为此用与正交曲线坐标重合的局部笛卡尔坐标系ei来衡量各物理量，便于找出本构关系，设ui是在ei中位移，则(无求和约定) u i =

关于海底管线屈曲剧变特性研究

关于海底管线屈曲剧变特性研究摘要：上世纪七十年代以来，管道在液、固、流态物质的运输渠道中得到越来越广泛的应用。

这是因为管道运输不受时间的限制，运输量大，运输安全性高，运输成本低廉。

海底管线是管道运输的一个重要组成部分，在海底进行运输方面同样发挥着不可替代的作用。

本文主要对海底管线经常出现屈曲剧变问题做出介绍，深入分析研究了屈曲剧变的特性，为完善海底管线提供了宝贵经验。

关键词：海底管线；屈曲剧变；特性分析目前，铺设海底管道线这项工程刚兴起几十年的时间，由于海底作业难度大，在铺设海底管道线时，时常发生一些技术故障，即使在海底管道线铺设完成后，铺设好的管道也会发生一些故障。

例如海底管线发生屈曲剧变等问题。

而此时对海底管道线的修建技术还处于发展阶段，这需要对这项技术不断地进行完善，以便使其更好地应对海底管道线出现的问题。

1.海底管线屈曲剧变1.1.海底管线屈曲剧变概念作为海洋油气集输与储运系统的一个重要组成部分，海底管线起着不可替代的作用。

但海底管线的屈曲剧变问题容易造成管线失效，使海底管线在发挥作用时受限。

管线屈曲的内容主要指管线在内外温差和压差较大时，由于受到地基土的约束作用，无法自由变形，在管线的内部产生附加应力，使管线发生竖向或水平向的弯曲。

这种弯曲给海底管线造成很大影响。

不仅对管线的安全运营造成威胁，而且还给海底管道运输业造成重大经济损失。

1.2.海底管线屈曲剧变的形态根据管线屈曲特点，可将管线的屈曲剧变可分成两类，一是水平向屈曲模式，二是竖直向屈曲模式。

竖直向屈曲模式，是指管线在温度应力和内部压力的作用下由于受到地基土体的约束，无法自由变形而产生的垂直向上隆起，常发生于全埋管线或半埋管线中。

水平向屈曲模式，是指管线在温度应力和内部压力的作用下由于受到地基土体的约束，无法自由变形而产生的水平方向的蛇形位移，常发生于半埋管线或不埋管线中。

从这两种屈曲形态定义中可以看出影响管线变形的一些因素，这为分析管线屈曲原因提供了参考。

钻井用连续管的屈曲分析

钻井用连续管的屈曲分析张辛1, 徐兴平1, 王龙庭2，王雷1（1.中国石油大学（华东）机电学院，山东东营，207061；2. 胜利油田高原石油装备有限责任公司研发中心）摘要：连续管弯曲可能会出现在任何井段。

但是，在不同的井段开始形成弯曲的临界压缩载荷不同。

本文在总结国内外学者研究的基础上，以垂直井段为例，对已有公式的适用条件进行了探讨。

采用能量守恒原理，对垂直井段的连续管进行临界屈曲载荷分析，得到连续管的临界屈曲载荷。

利用拉格朗日乘子方法分别对管柱处于不同屈曲形式下进行管柱与套管壁的接触载荷计算。

并对管柱的屈曲行为进行了ABAQUS计算机模拟分析。

关键词：连续管屈曲分析计算模型计算机模拟Buckling Analysis of Drilling Coiled TubingZhang Xin1, Xu Xingping1, Wang Longting2, Wang Lei1(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, China University of Petroleum, Dongying, Shandong, 257061, China; 2. Shengli Oilfield Highland Petroleum Equipment Co., Ltd. R&Dcenter)Abstract:The bend of coiled tubing may appear in any hole section. However, the critical compressive load is different in different interval when the bend is generated. On the base of the research of domestic and foreign scholars, applicable conditions to the existed formulas are researched in this paper with the example of vertical interval. Using energy method, equations are derived to predict the axial compression force required to produce buckling in vertical wells. Utilizing the Lagrange multiplier method, the unit lateral contact force corresponding to straight, sinusoidal, and helical configurations between CT and casing are obtained in vertical, inclined, and curved wells, respectively. The buckling of CT is also discussed on the basis of ABAQUS computer simulations.Keywords: Coiled tubing Buckling analysis Computation model Computer simulation前言在连续管下入过程中，由于管柱本身重力的影响和管柱与井壁摩擦的影响，使得管柱在受压时由初始的近似直线状态变为曲线状态，这就是管柱的屈曲。

穿越平移断层海底埋地管道屈曲失效分析

穿越平移断层海底埋地管道屈曲失效分析余杨;李振眠;余建星;孙文正;刘晓伟;马建东;刘成【期刊名称】《工程力学》【年(卷),期】2022(39)9【摘要】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。

【总页数】15页(P242-256)【作者】余杨;李振眠;余建星;孙文正;刘晓伟;马建东;刘成【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室;天津市港口与海洋工程重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TU312.1;P756.2【相关文献】1.地震时跨断层海底管道的屈曲分析2.犁式挖沟机后挖沟埋管对海底管道屈曲压溃压力影响分析3.穿越走滑断层海底管道局部屈曲研究及应变响应预测4.跨越断层埋地管道屈曲分析5.斜滑断层作用下埋地管道局部屈曲失效研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

埋设悬跨海底管道的屈曲分析

第23卷第2期 V ol.23 No.2 工程力学 2006年 2 月 Feb. 2006 ENGINEERING MECHANICS173———————————————收稿日期：2004-03-26；修改日期：2004-05-27作者简介：*邢静忠(1966)，男，甘肃人，教授，博士，从事海洋石油工程力学研究(E-mail: hsingjzh@)；柳春图(1935)，男，江苏人，研究员，博士生导师，从事固体力学、断裂和疲劳研究；徐永君(1964)，男，河北人，博士，从事工程力学研究。

文章编号：1000-4750(2006)02-0173-04埋设悬跨海底管道的屈曲分析*邢静忠1,2，柳春图1，徐永君1(1. 中国科学院力学研究所, 北京 100080; 2. 兰州理工大学理学院, 兰州 730050)摘要：考虑海床刚度，研究了埋设悬跨海底管道在热膨胀引起的轴向压力下的屈曲问题。

传统方法是将悬跨管道简化为两端简支或者两端固支梁来处理。

基于欧拉-伯努利梁理论，考虑线弹性海床刚度和轴向压力，建立并求解了埋设段管道和悬跨段管道在自重作用下的四阶常微分方程，获得了两段管道的静挠度和内力的解析公式。

通过对静挠度的特性分析，给出了埋设管道段和悬跨管道段的稳定性判断准则。

关键词：屈曲；海底管道；悬跨；弹性地基；热膨胀中图分类号：O343 文献标识码：ABUCKLING ANALYSIS OF BURIED SPANNING SUBMARINE PIPELINE*XING Jing-zhong 1,2 , LIU Chun-tu 1 , XU Yong-jun 1(1. Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China; 2. School of Science, Lanzhou University of Science, Lanzhou 730050, China)Abstract: This paper presents a buckling analysis of buried spanning submarine pipelines under axial compressive force caused by thermal expansion, in which the seabed stiffness is taken into account. Traditional methods treat each span segment as a simply-supported beam or clamped-clamped beam in practice. A new approach is developed based on Euler-Bernoulli beam theory, taking into account the linear elastic stiffness of seabed and temperature-driving axial force. A fourth order ordinary differential equation governing buried segment in elastic seabed and spanning segment under self-weight and axial compressive force is established and solved. The static deflection and internal force function of both segments are obtained in closed form. Stability criteria of buried segment and spanning segment are established through analyzing the characteristics of static deflection.Key words: buckling; submarine pipeline; spanning; elastic foundation; thermal expansion由于海床不平整，或者海流淘蚀，海底管道经常出现悬跨(Spanning)情况。

海底长输油气管道的隆起屈曲分析

海底长输油气管道的隆起屈曲分析余志兵;孙国民;王辉;高嵩【摘要】该文基于Palmer等研究学者提出的半经验解析公式,探讨了海床几何初始缺陷、温降及土壤特性等因素对分析结果的敏感性.结合工程计算所需的前提假设,通过使用自编程序对一工程实例进行分析,结果表明该方法的计算量小、直观性强,对工程设计具有一定的指导意义.【期刊名称】《中国海洋平台》【年(卷),期】2015(030)002【总页数】6页(P64-69)【关键词】长输海底管道;高温高压;初始几何缺陷;隆起屈曲【作者】余志兵;孙国民;王辉;高嵩【作者单位】海洋石油工程股份有限公司,天津300452;海洋石油工程股份有限公司,天津300452;海洋石油工程股份有限公司,天津300452;海洋石油工程股份有限公司,天津300452【正文语种】中文【中图分类】P756随着海上油气资源不断地开发与利用，高温高压海底管道的工程应用逐渐增多，同时海底管道在温度与压力下的变形问题也逐渐显现出来。

对于埋设在海床以下的管道,受管沟不平整度及海床土壤约束的影响，管线无法自由变形,应力不断累积,当应力值超过上覆盖土体抗力时,管线将发生竖直方向的弯曲大变形,最终发生失效而破坏[1，2]。

通常可以采取一些工程附加措施以避免海底管道发生隆起屈曲，例如加大管道埋设深度，增加管道配重厚度，提高铺设后的残余张力及改变管道结构形式等[3，4]，特殊情况下还可以采取降低工艺输送要求的方式，达到减小管道轴向压力的目的。

而对于高温高压长输埋设海底管道，为抑制其隆起屈曲变形，考虑到工程经济性，一般会选取增大管道埋设深度或增加上覆盖土厚度等方式。

但在工程设计阶段，若过于保守地考虑一些基础参数，同样会导致较高的工程施工费用。

因此，在开展长输海底管线的隆起屈曲分析时，应着重考虑环境因素变化的影响。

该文基于Palmer等学者提出的隆起屈曲分析中经典的孤立点支撑模型及半经验解析公式[5]，假设了一些必需的工程分析前提条件，结合工程实例，分析了管道路由的土壤特性、输送介质温度变化及海床沟槽位置的几何初始缺陷等因素对抑制管线发生隆起屈曲所需的最小上覆盖土厚度的影响，数值计算得出的结果可以用于指导工程实践。

基于向量有限元的深水管道屈曲行为分析

文章编号：1000-4750(2021)04-0247-10基于向量有限元的深水管道屈曲行为分析李振眠1,2，余杨1,2，余建星1,2，赵宇1,2，张晓铭1,2，赵明仁1,2(1. 天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津大学，天津 300350；2. 天津市港口与海洋工程重点实验室，天津大学，天津 300350)摘要：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。

关键词：管道结构；屈曲行为；向量式有限元；空间壳单元；压力舱试验中图分类号：TU312+.1；P756.2 文献标志码：A doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0357BUCKLING ANALYSIS OF DEEPWATER PIPELINES BY VECTOR FORMINTRINSIC FINITE ELEMENT METHODLI Zhen-mian 1,2, YU Yang 1,2, YU Jian-xing 1,2, ZHAO Yu 1,2, ZHANG Xiao-ming 1,2, ZHAO Ming-ren1,2(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300350, China;2. Tianjin Key Laboratory of Port and Ocean Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China)Abstract: Local buckling damage is one of the biggest safety issues during the operation of deepwater pipelines.The innovative vector form intrinsic finite element method (VFIFE) is used to analyze the buckling behavior of deepwater pipelines. After deriving the calculation formula of VFIFE space shell elements considering the nonlinear elastoplastic material, we developed a Fortran calculation program and a MATLAB post-processing program to simulate the collapse and buckling propagation process. The collapse pressure and the buckling propagation pressure were calculated. A full-scale pressure chamber test was conducted to analyze the buckling load and buckling morphology. The VFIFE results were compared with those of the test, traditional finite element method (FEM) and DNV method. The VEIFE can directly simulate the pipeline collapse, the buckling propagation, the collapse pressure, and the buckling propagation pressure. The VFIFE results are in line with the actual situation and in good agreement with those of the other methods. The VFIFE has the advantages of not requiring special calculation processing and tracking of the entire behavior, thus providing a new and universal analytic strategy for buckling simulation of deepwater pipelines.Key words: pipeline structure; buckling behavior; vector form intrinsic finite element method; 3D shell element;pressure chamber test深水管道由于外部高静水压作用，其设计通常依据局部屈曲压溃的失稳极限状态[1]。

Y型钢管柱屈曲分析探讨

Y型钢管柱屈曲分析探讨摘要：本文依托既有结构增层改造，利用Midas-Gen结构分析软件对Y型钢管柱的线性屈曲分析及几何非线性屈曲分析结果对比，表明线性屈曲分析方法的局限性，整体结构分析需同时考虑结构几何非线性的影响，可为相关工程提供一定程度的借鉴参考。

关键词：Y型钢管柱；弹性屈曲分析；几何非线性屈曲分析；长度系数近年来，随着对建筑空间整体效果的追求，Y型钢管柱的应用越来越普及。

其具有传力合理、外形美观等优势使其在众多大型建筑中得到应用，如广州国际航运大厦项目[1]、西安咸阳国际机场航站楼[2]、北京友谊医院二期建设项目[3]等。

由于其树状分支效果导致柱整体支撑范围的扩大，Y型钢管柱的柱距通长较大，因此其自身的强度、稳定性验算显得尤为重要。

本文依托实际案例，简介Y型钢管柱线性屈曲分析以及几何非线性屈曲分析结果，对相关工程的设计验算具有一定的指导意义。

一、工程概况本项目为某既有结构改造工程，其在既有地下一层结构的基础上，将局部广场区域进行增层改造，以满足现场运营需求。

增层改造区域涉及新增地面一层钢筋混凝土框架结构以及地上二层钢框架结构，总新增建筑面积约2700余平方米。

其中，由于地下室既有结构柱网布置的现状，地上增层结构柱除个别为梁托转换柱外，大多起于既有结构柱顶，以减少结构改造的工程量以及增设框架柱对既有结构整体受力的影响。

同时，为追求整体建筑空间通透的效果，以及综合考虑柱网布置的局限性，端部钢梁外挑长度接近10m。

因此，考虑将端部钢柱调整为Y型钢管柱，有效降低钢梁悬挑长度，同时减轻梁截面尺寸对整体通透效果的不利影响。

新增钢框架如图一所示，整体由图中左侧9.1m高的高平台、右侧5.4m高的低平台以及左上方4.4m层高的弧形夹层组成。

其中，Y型钢管柱均位于高平台之中，柱脚均按刚接柱脚设计。

其下部钢管截面均为D600-16，上部钢管截面均为D500-14，材质均为Q355B型。

Y型钢管柱顶部为1300mm高的矩形钢箱梁，柱顶与梁底进行刚接，钢箱梁通长布置，详细尺寸如图二所示。

海底管道整体屈曲摄动解与Galerkin解的对比分析

收稿日期：２０１８－１２－２０；修回日期：２０１９－０１－１５基金项目：国家自然科学基金面上项目（５１６７９１６２）；天津市自然基金重点项目（１７ＪＣＺＤＪＣ３９９００）作者简介：吉婷婷（１９９３－），女，江苏省人，硕士研究生，主要从事海底管道与地基土相互作用研究。Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＪＩＴｉｎｇｔｉｎｇ（１９９３－），ｆｅｍａｌｅ，ｍａｓｔｅｒｓｔｕｄｅｎｔ．通讯作者：刘润（１９７４－），女，河北省人，教授，博导，主要从事结构物与土的相互作用研究。Ｅｍａｉｌ：ｌｉｕｒｕｎ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
作用的非线性特点，使得求解高温高压下海底管道整体屈曲变形的理论解非常困难。摄动法和Ｇａｌｅｒｋｉｎ
法是求解海底管道整体屈曲的重要方法。文章在考虑土体对管道抗力的分析模型基础上对海底管道
水平向整体屈曲变形的摄动法解与Ｇａｌｅｒｋｉｎ法解进行了对比，发现两者得到的结果差异较小，但
根据理想管道的水平向整体屈曲，得到具有初始缺陷管道水平向整体屈曲的控制方程为
( ) ＥＩｄｄ４ｘｗ４＋Ｐｄｄ２ｘｗ２－ｄｄ２ｘｗ２０＋Ｆ＝０
（７）（８）
将式（３）和式（７）带入式（８），得到屈曲轴力表达式
{ ( ) } Ｐ＝
ＥＩＡ１εω４＋８ｅＡ１９２ｋε２ω４＋８１Ａ４ω４ε３＋ｋ（ｗｍ－ｗ０ｍ）－ｅ（ｗｍ－ｗ０ｍ）２＋ｈ（ｗｍ－ｗ０ｍ）３Ａ１εω２＋（２ｅＡ１２ε２ω２）／（９ｋ）＋９ｋＡ４ｗ２ε３＋（２π２ｗ０ｍ／ｌ２０１）
２０１９年４月
吉婷婷，等海底管道整体屈曲摄动解与Ｇａｌｅｒｋｉｎ解的对比分析
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基于非线性摄动法，假设 ε是一个从零开始随着远离临界点的移动而增长的扰动参数，即 ε＝

高温管道的热后屈曲分析_周渝

高温管道的热后屈曲分析THERMAL POST-BUCKLING OF HIGH-TEMPERATURE PIPELINE周　渝1　李余德1 方占岭2 邢百俊2 问树荣3(1.上海交通大学工程力学系,上海200240)(2.大唐国际发电股份有限公司,北京100140)(3.内蒙古上都发电有限责任公司,内蒙古锡林浩特027200)ZHOU Yu1　LI YuDe1　FANG ZhanLing2　XING BaiJun2　WEN ShuR ong3(1.De partment of Engineering Me chanics,Shanghai Jiaotong Unive rsity,Shanghai200240,China)(2.Datang International Powe r G ene ration Co.,Ltd.,Beijing100140,China)(3.Inner M ongolia Shang Du power C O.,LTD,Xilin Hot,Inner Mongolia027200,China)摘要　基于弹性杆件轴向可伸长假设,应用势能最低原理,分析两端铰支约束管道在直埋和架空条件下的热后屈曲特性,获得管端约束力、管道规格、最大变形和管内流体最高温度之间的关系方程。

求解方程解析解发现,直埋管道的屈曲特性与失稳模态、材料特性、几何尺寸和温度等多种因素有关,架空管道的屈曲特性仅取决于管径、长度、壁厚和温度,与模态无关。

通过分析数据,证明管道热屈曲的非突发性,并探讨Euler解的意义。

采用热后屈曲理论,对比适当许可变形条件下,管道规格与管内流体温度之间关系解析解与欧拉解的差异。

关键词　高温管道　能量法　热屈曲　临界温度中图分类号　TE832　TU313.3A bstract　Based on the assumption of extensible elastic beams,energy method was performed to analyze the thermal post-bucklin g behaviors of heat pipes,both in the air and underground,with im movable ends in the axial direction.The relationships among reaction force,the critical temperature,maximum deflection and pipe flexibility were obtained.Anal ytical solution shows that underground pipe's post-buckling performance is decided by the buckling mode,material properties,temperature and the s ize of pipe,meanwhile,in the air,buckling mode has no effect on the pipe's performance.Thermal post-buckling behavior's characteristic of non-sudden was also ver-ified.In the end,the difference between post-buckling solution and Euler solution,as well as the true meaning of Euler critical tempera-ture,was discussed.Key words　Heat pipe;Energ y metho d;Thermal post-buckling;Critical temperatureCorr es ponding autho r:ZHO U Y u,E-mail:renado.zhou@,Tel:+86-21-54749155Manuscript received20090317,in revised form20090409. 引言自Euler和Lagrange对弹性杆变形和过屈曲行为进行研究以来,弹性杆件的稳定性问题已开始被视作影响结构发挥正常功效的主要原因之一。

刚性连接双层海底管道高温侧向屈曲分析方法研究_赵天奉

刚性连接双层海底管道高温侧向屈曲分析方法研究_赵天奉第26卷第3期2008年8月海洋工程THEOCEANENGINEERINGVol126No13Aug.2008文章编号:1005-9865(2008)03-0065-05刚性连接双层海底管道高温侧向屈曲分析方法研究赵天奉,段梦兰,潘晓东123(1.大连理工大学船舶工程学院,辽宁大连116024;2.中国石油大学(北京)海洋油气研究中心,北京102249;3.海洋石油工程股份有限公司,天津300452)摘要:以惠州25-3/1双层海底管道为例,提出高温荷载下刚性连接双层海底管道的侧向屈曲分析方法,并研究该类管道的侧向屈曲特性。

将解析分析与有限元技术相结合,在提出刚性连接双层海底管道屈曲分析方法的同时,发展了Hobbs公式的应用范围,使其成为屈曲分析有限元建模指导工具。

以分析不稳定平衡问题的改进Riks方法被证明为高温海底管道屈曲分析的有效算法,得到的弧长)载荷比例因子曲线能够充分地描述双层管道的屈曲失稳过程。

惠州管道的分析结果表明,刚性连接双层海底管道的整体热稳定性较高,在海床上一般不容易发生侧向屈曲,但热荷载作用下内管的后屈曲将有可能引发较高的应力集中,对此需要充分校核;另外环空间隙的减小有利于提高内管的临界屈曲载荷,从而提升管道的整体性能。

关键词:双层海底管道;侧向屈曲;Riks算法;有限元分析中图分类号:P754 文献标识码:AAnapproachoflateralbucklinganalysisofHTnon-compliantPIPsystems ZHAOTian-feng,DUANMeng-lan,PANXiao-dong123(1.EepartmentofNavalArchitecture&OceanEngineering,DalianUniver sityofTechnology,Dalian116024,China;2.OffshoreOil/GasResearchCenter, ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;3.OffshoreOilEngineeri ngLtd.,Tianjin300452,China)Abstract:BasedonFEtechnologyandHobbsclassicalformulae,thispaperdeve lopsanewapproachoflateralbucklinganalysisofnon-com-pliantPIPsystems. ByevaluatingHZ25-3/1PIPsystems,Riksalgorithmhasbeenprovedtobeavali dtechnologyforpipelinebucklinganaly-sisandtheArcLengthvs.LoadProporti onalityFactorcurvecanentirelydescribethebucklingprocessofthePIPsystem s.Inthismethod,theHobbsformulaeareusedforselectingtheinitialbucklemo des,pos-tbucklingprocessshallbeanalyzedbyRiksalgorithm.Theanalysisres ultsindicatethatnon-compliantPIPsystemshaveahighthermalstabilityonth eseabedbutthebuckleofcarrierpipeintheannularspacemayin-ducehighstre ssesafterbeingheated.Keywords:PIPsystems;lateralbuckling;Riksalgorithm;FEanalysis双层海底管道(pipe-in-pipesystems)一般由输送内管和保护外管构成,并在内外管层形成的环形空间中填充绝热材料以提升管道的保温性能。

深水海底管道湿式屈曲分析

深水海底管道湿式屈曲分析作者：李凯刘顺庆邱炜来源：《中国石油和化工标准与质量》2013年第17期[摘要]本文主要论述了深水海底管道铺设过程中出现湿式屈曲时海管所产生的变化及船舶自身所采取的应对措施，并对湿式屈曲时海管的应变情况做了简要的计算分析。

[关键词]深水海底管道湿式屈曲随着我们生活水平的不断提高，人们对于自身外在的形象追求等级也越来越高。

但就目前我国的形象设计专业人士数量却远远不能满足当前市场的火热需求，人才短缺所造成的危机也严重制约着这个产业的辉煌前景。

1前言随着海洋石油开发向深水领域进军，为海底管道的施工带来了许多新的挑战。

深水海底管道在铺设过程中由于受到强大的外部静水压力、弯矩和轴向力的作用，如果没有科学且严格的控制，容易产生局部的屈曲变形，情况严重时会产生管道破损，导致管道充水，所造成的后果常常是无法接受的，因此需要我们对海底管道湿式屈曲的情况加以研究和分析，对产生湿式屈曲情况后船舶自身的反应加以了解，从而制定出相应的预案及措施，以保证海上施工的安全性以及一旦出现湿式屈曲情况后所能及时采取的应对措施。

2概述海底管道作为连接产油平台与陆地炼厂之间的媒介是海洋工程事业中尤为重要的一部分。

随着当今海洋事业进军深海，海底管道在铺设过程中所存在的安全风险也是当今深水海洋技术研究中最为重要的一部分。

其中以湿式屈曲尤为引人关注，所谓湿式屈曲，是指管体在铺设过程中产生了超出管材本身所允许之外的变形，且变形处已发生破损，使得海水注入管内，当管体突然进水时，将造成海管悬空段的水中重量急剧增大，不但威胁铺管船以及船上施工人员的安全，还可能影响到周围已存在水下生产设施的安全。

在铺设过程中海管产生屈曲的原因有很多种，比如恶劣天气、设备失效、管材疲劳等等。

因此，在项目施工前对海管铺设过程中可能产生的湿式屈曲的风险进行分析并准备相应的应急措施是很有必要的。

这样就可以在湿式屈曲发生时采取正确的措施加以应对，不但降低了湿式屈曲发生时所引发的风险，同时也提高了项目风险控制的水平。

基于非线性环理论的管道上卷弯曲屈曲分析

基于非线性环理论的管道上卷弯曲屈曲分析廖洪千;王立权;李怀亮;刘军;李松羽【摘要】基于非线性环理论和虚功原理,建立了管道截面应力和应变之间的平衡方程,并通过迭代法对方程进行求解,得到了弯曲过程中管道变形及弯矩.以Φ0.168 0 m(6英寸)管道为例进行了分析,并将理论值与试验和仿真结果进行了比较,其误差在施工允许范围内,验证了本文方法的正确性.采用本文方法对Φ0.406 4 m(1 6英寸)管道上卷屈曲影响因素进行了研究,结果表明:径厚比越小,管道的弯矩承载能力和抗扁化能力越强;硬化指数越大、屈服强度越小,管道的抗扁化能力越强;硬化指数对弯矩承载能力影响较小,屈服强度直接影响管道弯矩承载能力;弹性回弹降低了管道的椭圆度.%The balance equation between the pipe's cross section stress and strain was established based on the nonlinear ring theory and principle of virtual work.The pipe's cross section deformation and bending moment in bending process were obtained by solving the equations with iteration method.Φ 0.1680 m(6-inch)pipe was analyzed as an example,and then the theoretical values were compared with the simulation and test results. The error is within the allowable range for construction,showing that the method is correct.Finally,the in-fluence factors of pipe buckling were studied with Φ0.4064 m(16-inch)pipe in reeling by our method. Some conclusions were achieved:1)the smaller the ratio of diameter to thickness,the stronger the pipe bending bearing capacity and anti-ovalization ability;2)the smaller the yield strength,and the lager the hardening index,the stronger the pipe anti-ovalization ability;3)the hardening index has little influence on the pipe bending bearingcapacity,and yield strength directly affects the capacity;and 4)the elastic spring-back reduces the ovality of the pipe.【期刊名称】《中国海上油气》【年(卷),期】2016(028)001【总页数】7页(P126-132)【关键词】屈曲;卷管铺设;上卷;椭圆度;非线性环理论;虚功原理【作者】廖洪千;王立权;李怀亮;刘军;李松羽【作者单位】哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨 150001;海洋工程股份有限公司天津 300451;哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨 150001;哈尔滨工程大学机电工程学院黑龙江哈尔滨 150001【正文语种】中文【中图分类】TE94;TE973卷管铺设作为一种新型的海底油气管道铺设方法，吸引了越来越多学者对其进行研究。

温度应力下海底管线水平屈曲分析

ｈｅｏｄｌｔｒｌｕｋｎｔｅｓｃｎａｅａｂｃｉｇｍｏｅｏｃｒｔｏｒｅｅａｕｅｄｆｅｅｃｎｄｉｔｒｃｏｅｗｅｎｔｅｓｂｏｌｎｉｌｅｌｄｃｕｓａａｌｗｅｔｍｐｒｔｒｉｒｎｅａｎｅａｔｎｂｔｅｈｕｓｉａｄｐｐｉｉｅｎｉｆｕｎｅｔｅｐｐｌｅｔｅｍａｂｃｉｇｍｏｅｏｖｏｓｙｎｅｃｈｉｅｉｈｒｌｕｋｎｌｎｌｄｂｉｕｌ．Ｋｅｙｗｏｄｓｓｂｒｎｉｌｅａｒｌｕｋｉｇ；ａａｙｉａｏｕｉｎ；ｔｍｐｒｔｒｉｅｅｃ；ｓｂｏｌｒｃｉｎｒｓｓａｃｒ：ｕｍａｉｅｐｐｉ；ｌｔａｂｃｎｅｎｅｌｎｌｔｌｌｔｃｓｏｅｅａｕｅｄｆｒｎｅｕｓｉｆｉｔｅｉｎｏｔｅ
Ｂｓｄｏｒｃｉｌｅｇｅｒｇａｄｅｌｙｄｔｅａａｔａｓｌｔｎｏｔａｕｋｉｇｆｃｆｆｃｏｓｓｃａｅｎａｐａｔａｎｉｅｎｎｍｐｏｅｎｌｉｌｏｕｉｆｌｅｌｃｎ，ｅｅｔｏｔｒｕｈａｃｎｉｈｙｃｏａｒｂｌｓａｓ
摘要：温度应力下海底管线的屈曲大变形是管线设计中所要考虑的关键问题之一。以某实际工程为背景．应用理想平直管线发生水平向屈曲的解析解，分析了温差和地基土特性对管线屈曲大变形的影响。研究表明，在海底管线水平向屈曲的２种主要模式中，第２种屈曲模式对应的初始屈曲温差相对较低；地基土对管线的约束作用显著影响管线初
ｔｍｐｒｔｒｉｅｅｃｎｄｐｏｒｅｆｏｎａｉｎｓｉｔｉｅｉｅｂｃｉｇｗｅｅａａｙｅＴｈｎａｙｉｇｒｅｅａｕｅｄｆｒｎｅａｒｐｔｓｏｆｕｄｔｏｌｏｐｐｌｅｉｏｎｕｋｎｌｒｎｌｚｄ．ｅａｌｚｎｅｓｏｔａｈｗｈｔ