复杂力学环境中完井管柱屈曲行为及其防控措施

复杂力学环境中完井管柱由于处于超高温、高压的环境下,容易发生管柱屈曲,大大影响了管柱的服役寿命.基于弹塑性力学理论建立了实际井况下油管柱屈曲行为分析的有限元力学模型,并在此基础上分析了复杂力学工况下管柱的屈曲形态、横向位移等,再针对加扶正器、优化产量以及伸缩管的设计等缓解管柱屈曲措施对管柱屈曲行为的影响程度开展了研究.结果 发现:在苛刻工况下,油管柱底部易发生较为复杂的屈曲,从井深5 500 ～7 300 m井段的油管柱产生了螺旋屈曲的构型,整段屈曲段长达2 400 m;本文工况下,伸缩短节数达到6个后,全井段油管柱的屈曲段长度和管柱弯曲应力的减小速率大幅降低,伸缩短节的个数对管柱屈曲及弯曲应力影响大幅减弱.对于复杂环境下气井工况而言,控制产量对管柱屈曲行为改善最为明显,其次为扶正器设计,为提高油管柱寿命及气井完整性提供了技术支撑.     

垂直井筒内悬挂管柱屈曲演变有限元分析

摒弃常规方法中管柱屈曲挠曲线的假设,建立垂直井筒内悬挂管柱的几何和接触双重非线性力学模型,虚拟较大的阻尼比,进行有限元计算。采用正向加载法得到管柱稳定的连续接触的螺旋屈曲构型;采用逆向加载法,根据螺旋屈曲构型,逐渐增加悬挂拉力,进行屈曲演变分析;并分析摩擦力和管柱长度对临界载荷的影响。结果表明:螺旋屈曲向正弦屈曲转变是突变的过程,屈曲模态构型包括螺旋屈曲构型、刚螺旋屈曲和正弦屈曲。摩擦力对临界载荷的影响甚微。随着管柱长度增加,各阶屈曲模态的临界载荷均逐渐减小并趋于常值。此方法适用于斜井、曲率井和水平井管柱的屈曲过程分析。     

基于有限元方法的抽油杆管磨损量预测

针对在斜直井、定向井、水平井等井中采取有杆泵采油作业时,由于抽油杆屈曲以及井眼弯曲导致抽油杆严重偏磨的问题,建立了抽油杆动态行为有限元分析方法。利用能量法原理,将抽油杆发生偏磨时产生的摩擦功与金属磨损消耗的能量联系起来,确定了有杆抽油系统杆管偏磨磨损量预测模型,利用有限元分析得到的接触力可以定量分析杆管柱的磨损量。结果表明,有限元方法模拟效果较好,可用于预测井下杆管偏磨情况,对油田采取合理的防偏磨措施具有重要的指导意义。     

水平井多封隔器管柱力学分析及安全评价

针对水平井多封隔器管柱在井下多种载荷的共同作用下易引起管柱失效的安全问题，基于力学研究中的多杆件的多次超静定结构，引入力法对多封隔器之间管柱进行受力分析，同时考虑温度效应、活塞效应、鼓胀效应和螺旋屈曲效应的影响，建立考虑多封隔器影响的轴向力数学模型；在此基础上建立多封隔器管柱力学安全强度评价准则和封隔器控制信封失效判断方法，对现场水平井多封隔器管柱进行力学分析和安全评价。研究结果表明，建立的考虑多封隔器影响的轴向力数学模型计算结果大于常规不考虑多封隔器影响时轴向力，若不考虑多封隔器的影响将低估多封隔器管柱的轴向力，而造成管柱受力危险；同时对管柱危险位置和封隔器进行安全评价，得到了酸化作业时油压和套压的综合控制参数，以期为水平井多封隔器管柱安全工作参数的优化设计提供理论依据。     

基于纵横弯曲梁理论的水平井管柱摩阻扭矩分析方法

在非常规油气藏水平井钻进过程中,井壁稳定性差导致井眼不规则,钻柱受力复杂,摩阻扭矩计算误差较大。根据纵横弯曲连续梁理论,在井斜平面、方位平面内对钻具组合进行管柱受力及变形分析,从而建立了一种含有虚拟接触点的改进纵横弯曲梁模型分析钻井管柱摩阻扭矩。优点在于指定接触点时不用考虑是否为真实接触点,由此可将接头或接箍、扶正器等直径较大的部位指定为接触点。对于非真实接触点可以按虚拟接触点考虑,从而使模型的应用和求解更加方便、可行。实例分析结果表明,套管下入、旋转钻进、滑动钻进、复合钻进状态下管柱摩阻扭矩理论计算值与实测平均值基本相同,且变化趋势一致,验证了计算模型的准确性。     

尤拉屯高产气井完井管柱振动损伤研究

针对尤拉屯气田典型管柱在生产过程中高速气流诱发的振动问题,展开了管柱振动损伤研究,研究中采用了大型有限元分析软件ANSYS建立高产气井带封隔器油管柱振动的有限元模型。利用该模型对管柱进行了振动分析,分析结果表明:离封隔器越远振动位移、速度和加速度的幅值越大。详细地研究了全井段油管柱的轴向应力变化、屈曲损伤和中和点变化,同时分析了不同位置和不同产量下,屈曲管柱与套管柱的接触压力随时间的变化关系,为管柱摩擦磨损损伤机理的深入研究提供了定量的数据。最后对管柱进行了疲劳寿命预测,为管柱振动损伤预防措施的提出提供了理论基础。     

双分层损伤层合梁屈曲有限元分析

采用参考面单元技术并引入虚拟杆单元,建立了含多个分层层合梁屈曲分析的有限元模型,通过数值实验验证了模型的正确性．着重研究不同边界条件、分层尺寸和位置对双分层梁压屈载荷的影响．当对称双分层损伤层合梁的最弱子层位于上、下表面时,压屈载荷由其最弱子层确定,且双分层和相应单分层的压屈载荷有极好的一致性;而当最弱子层位于中间层时,必须考虑接触效应,其压屈载荷较相应的单分层梁有明显降低．压屈载荷的等值线图可以清晰地描述任意双分层损伤层合梁的压屈载荷随分层位置的变化规律．     

注水管柱下放摩阻计算

注水管柱能否靠自重下放到井底是一个十分重要的技术问题。考虑管柱与井壁的初始间隙和随机接触摩擦阻力,建立了注水管柱力分析模型,采用多向接触摩擦间隙元理论对该模型进行了接触非线性力学分析。经大庆油田3口井的计算分析表明,注水管柱最大累计摩阻为0.74 kN,靠管柱自重完全可以下放到井底。     

梁接触问题的数值算法

用梁接触问题的有限元数值算法分别计算了考虑剪切和不考虑剪切时梁与刚性基础接触问题的某些参数，给出了梁接触段上接触力的精确数值解。算例表明，该方法具有精度高、计算时间少的特点，可以应用于海洋管线安装、钻井等工程领域中。     

梁-柱支承的张拉膜结构整体找形分析

用力密度法对梁-柱支承的张拉膜结构进行找形分析．在找形过程中考虑了膜体与梁-柱构件之间的相互作用．文中推导了结构体系的整体找形公式,其中梁-柱结构分别采用了小变形理论和有限变形理论建立模型,并编制了相应的找形分析程序．通过算例对这种带梁-柱支承的膜结构整体找形问题进行了分析和讨论,结果证明了文中方法的可行性．     

刷式密封迟滞特性的数值研究

采用非线性接触模型对刷式密封的迟滞特性及其影响因素进行了研究.采用点-面接触、梁-梁相交接触和梁-梁平行接触模拟了刷式密封中刷丝端部与转子表面接触、刷丝与背板边缘接触以及刷丝之间的接触,建立了刷式密封的非线性接触模型,并通过试验研究的刷式密封迟滞特性的数据验证了所建立模型的有效性.研究分析了刷丝径向刚度一定时,刷丝直径、刷丝长度和刷丝角度对刷式密封迟滞特性的影响规律,结果表明,刷丝端部压力计算值与理论值的比值可以更好地评定刷式密封迟滞特性的强弱.当刷丝直径保持不变时,随着刷丝角度的增加和刷丝长度的减小,刷式密封的迟滞特性越来越弱;当刷丝长度一定时,随着刷丝角度和刷丝直径的增加,刷丝的迟滞特性越来越弱;当刷丝角度一定时,不同刷丝直径和刷丝长度的刷式密封表现出相近的迟滞特性;当刷丝径向刚度一定时,刷式密封的迟滞特性强弱主要由刷丝角度决定.     

轴向冲击载荷下薄壁方管的动力屈曲分析

为探索轴向冲击载荷作用下薄壁方管的动力屈曲特性,采用屈曲分析的有限元基本理论,利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件对轴向冲击载荷下薄壁方管进行动力屈曲分析。ANSYS/LS-DYNA的薄壁方管动力屈曲有限元分析分为前处理、求解和后处理。前处理设置包括单元属性、构建模型、划分网格、定义接触、初始条件、载荷及约束、求解时间和输出文件等。用LS- DYNA修改前处理输出文件,进行递交运算。再用LS-REPOST刷新速度、查看结果、动画模拟过程。结果表明:利用ANSYS/LS- DYNA对轴向冲击载荷作用下薄壁方管的动力屈曲特性进行分析可以代替真实实验,节省成本。该成果对屈曲理论的研究有很重要的意义     

基于刀具法向基准的奥利康准双曲面齿轮精确建模与验证

基于奥利康制准双曲面齿轮切齿原理和加工方法,分析了三面刀刀头的结构和安装位置,提出了基于刀具NS(neutral surface)平面法向基准下刀盘数学模型的建立方法。在此基础上,推导了奥利康制准双曲面齿轮的加工机床坐标系,建立了成形法大轮和展成法小轮的齿面数学模型,整理了一套基于三面刀盘奥利康制准双曲面齿轮精确化建模流程。通过齿面模型得到的数学齿面与通过KIMOS软件得到的45点齿面进行对比和实际接触印痕与理论接触印痕对比两种方法进行齿面验证。结果表明:大小轮推导齿面与实际齿面齿线和几何形貌基本一致,小大轮齿面基本重合;小轮凹面最大误差位于小端偏齿顶处,其值为0.007 5 mm,大轮凸面最大为0.002 3 mm;KIMOS计算的理论轮齿接触分析(TCA)、轮齿承载接触分析(LTCA)印痕与有限元计算印痕的位置方向基本一致,验证了齿面的正确性。     

计入粗糙度的深沟球轴承弹塑性接触性能分析

为揭示表面粗糙度对深沟球轴承弹塑性接触性能的影响,根据该轴承的载荷分布,把滚动体与内滚道接触转变为二次型函数极值问题,并建立考虑表面粗糙度的该轴承弹塑性接触模型,运用半解析法对该模型进行求解,获得了计入表面粗糙度影响的深沟球轴承弹塑性接触性能。数值结果表明:表面粗糙度会使内滚道宽度方向两端处的局部压力减小,同时使内滚道接触压力、von Mises应力、残余应力和残余变形的幅值较光滑情况时增大;同时表面粗糙度导致深沟球轴承中内滚道接触压力和残余变形分布发生波动,易使内滚道次表面产生应力集中,进而影响轴承整体使用寿命。     

高速铁路板式轨道计算模型的建立

为了合理处理高速铁路板式轨道结构动力学分析中板壳与梁一杆、叠加板、梁轴与弹簧、板与弹簧、板与实体等连接问题,基于Timoshenko板壳理论和直接引入法建立了多点约束方程,构造了板式轨道组合结构计算模型.该模型将组合结构中相关节点对之间位移关系,通过偏心关系和板壳理论的直线假设,建立了多点约束方程,并把该约束方程引入到...     

开孔三重钢管防屈曲耗能支撑有限元分析

 开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑是一种性能良好的耗能减震构件,本文介绍了开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑的构造,设计了10组不同开孔形式和尺寸的三重钢管防屈曲耗能支撑构件,并采用ANSYS及ABAQUS软件对其进行有限元分析,研究不同开孔及间隙对此种防屈曲耗能支撑滞回耗能性能以及承载力的影响。研究表明：开孔式三重钢管防屈曲支撑的滞回性能稳定、耗能能力强、屈服点发生在预设区域;开孔形式和孔长对防屈曲支撑的性能有影响;开孔式三重钢管防屈曲耗能支撑套箍效应明显低于不开孔三重钢管防屈曲耗能支撑;当间隙不为0时,芯材管开孔后支撑的承载力并没有下降。     

非饱和土力学行为的三维离散元分析

基于离散单元法颗粒流理论,土体颗粒单元间采用Hill接触模型来考虑非饱和土中吸力的作用,建立了非饱和土的颗粒流模型。根据室内试验结果对模型细观参数进行标定,开展了固结排水三轴剪切试验离散元数值模拟,揭示了在不同围压和吸力下,模型试样的应力-应变关系与强度特性等宏观力学性质以及细观信息平均配位数的变化规律。根据不同吸力下的莫尔-库伦破坏包线,建立了吸力与抗剪强度参数之间的关系。此外,通过标定室内试验结果中不同含水率下的应力-应变曲线,建立了Hill模型中吸力与含水率的关系。研究结果表明：Hill接触模型可以较好的模拟非饱和土的力学行为,可为非饱和土的离散元模拟提供参考。     

四缸柴油发动机机体有限元模态仿真及其测试

为了研究某四缸柴油发动机机体结构的动力学特性,建立了机体的三维有限元模型,运用ANSYS有限元软件对其进行了模态分析.为了验证有限元数值计算的合理性,根据实验模态分析理论,对自由状态下的发动机机体进行了模态测试.测试结果和有限元计算结果一致,说明计算方法正确、合理,所建有限元模型具有较高的精度,有效反映了机体的振动特性,该实验方法具有工程指导和应用价值.     

受井眼约束带接头管柱的纵横弯曲分析

针对受井眼约束带接头管柱的纵横弯曲问题,将管柱变形分成3 类情形：无接触、点接触和连续接触。根据 管柱变形基本方程及接头处管柱的边界条件和连续性条件,分别求解3 种情形下的管柱变形曲线。利用无接触到点 接触以及点接触到连续接触的判别条件,分别求解了接触状态转换的临界参数,并分析了临界参数（φ）随管柱视半径 与接头视半径之比（λ）的变化规律。结果表明,当λ 比1 略大时,φ 对λ 的变化很敏感;当λ 大于2 后,φ 对λ 的变化 不敏感,并且趋于某一稳定值。以λ = 2 为例,详细描述了管柱弯曲接触状态转换的整个过程。计算结果可以为实际 作业中接头对管柱弯曲影响分析提供理论基础。     

摩擦传递扭矩的大型旋转机械主轴强度分析

承受外载的旋转机械靠摩擦传递扭矩时,主轴属于三维材料非线性与边界非线性的耦合问题——弹塑性接触问题。本文采用有限元增量法对此进行了详细分析,导出了基于流动理论的塑性增量的本构方程及等强化材料在复杂应力状态下的Mises模型的本构矩阵。在有限元计算中采用了精度较高的一阶自校正法,在接触问题分析中设定了自由、粘连、滑动三种边界,并采用了接触单元处理,求解时采用凝缩矩阵法及有限元混合法。对摩擦传递扭矩的水轮机主轴计算结果进行了分析,并与三维光弹实验结果进行了比较,两者是一致的。