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插入式大直径薄壁圆筒结构承载机理研究与优化设计

王乐芹  
【摘要】:本论文立足于散体结构力学、塑性极限分析理论和非线性数值分析方法,针对近海工程插入式大直径薄壁圆筒结构(或桶形基础)在波浪、潮流及流冰等横向荷载作用下的承载机理与破坏模式进行相关研究,主要开展如下研究工作。 一、基于弹性地基抗力法和散体极限平衡理论,建立了一整套大直径薄壁圆筒结构与土体相互作用下整体变位的简化解析计算方法,将复杂的大圆筒结构受力变形形态解析为三种简单位移模式(即垂直位移w,水平位移u和转动角位移α)下的力学形态的叠加。 二、首次引用塑性极限分析理论的上限法,建立了在横向荷载作用下软黏土中插入式大直径薄壁圆筒结构的塑性极限分析模型,进行开创性的探索尝试。将横向荷载作用下软粘土中插入式大直径薄壁圆筒结构的破坏机制描述为筒后土体的三维空间滑移楔体、土体圆柱孔的扩张挤压以及沿基底面的空间球形滑动剪切破坏的一种新的组合破坏模式;并运用非线性数学规划的Nelder-Mead改进单纯形法,进一步结合遗传进化算法寻优,求取上述破坏机制的最危险模式及横向荷载的最小上限解。该模型最大特点在于:在求解大直径薄壁圆筒结构上的横向极限荷载过程中避开了复杂的非线性弹塑性有限元技术对加载全过程的跟踪分析,可对插入式大圆筒结构的埋深与筒体转动中心位置、破坏滑移楔体的深度、极限荷载以及筒体侧壁极限抗力进行计算与分析,并得到它们之间的内在关系。 三、依据上限法极限分析模型,本文采用分段插值函数的处理方式,并提出了一种软粘土中插入式大圆筒结构横向极限荷载的简化计算方法,以利工程实际应用。 四、推导非线性弹性地基中矩形平板壳体单元的整体刚度矩阵,引入土抗力—位移的非线性p-y曲线模型,采用柱壳单元与非线性弹簧元间的耦合来模拟空间圆柱壳结构与地基土体间的相互作用,建立了插入式大直径薄壁圆筒结构的非线性、双向弹簧元数值分析模型。此模型及其数值处理与开发解决了传统的线性弹簧元所无法克服的难题,更为真实地反映了大直径薄壁圆筒结构在增量加载下的位移破坏机制。 五、以本文非线性弹簧元数值分析模型为核心,首次应用最优化理念对插入式大直径薄壁圆筒结构建立了优化设计数学模型。并采用有效的方向搜索随机行走法作为优化方法,对通用软件ANSYS进行了优化方法的二次开发,以构建适合圆筒自身特殊问题的优化过程。


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