井控半封闸板体失效机理与密封性能研究

为了提高井控半封闸板防喷器(blowout preventer, BOP)安全性能,对现役的半封闸板防喷器进行了失效分析及密封性能评价,完成了闸板体的表征测试以及材料拉伸和冲击试验,通过溢流关井时半封闸板受力分析,基于闸板体材料应力应变测试数据,建立了全尺寸半封闸板防喷器模型,在井下高压流体和油缸压力复合载荷下对闸板体和密封胶芯的力学性能进行了仿真研究。结果表明：当油缸压力超过9.4 MPa,闸板本体的凹槽根部刚好进入屈服变形,最大等效应力发生在闸板本体的凹槽根部,导致闸板体过早断裂失效。胶芯与闸板上端接触区域的应力集中最为明显,可见由于复合载荷的作用,胶芯上部受到挤压作用,产生严重变形,进而失去密封能力。最后提出了减小闸板应力集中的措施。研究成果为溢流情况下半封闸板防喷器的安全操作提供指导依据。     

开关型闸板防喷器密封胶芯性能试验研究

带压作业密封系统试验台利用液压动力系统输出水压代替油田油水井内部压力,模拟真实油田带压作业起升油管柱修井作业过程,确立开关型闸板防喷器密封胶芯性能试验步骤。利用带压作业密封系统试验台的控制系统进行全程自动化开关型闸板防喷器密封胶芯性能试验,测试油水井井压与密封副驱动力之间关系以及液压驱动力与开关型防喷器胶芯变形关系。     

球型防喷器胶芯安全性能与结构优化

为了评价球型防喷器胶芯的安全性能,以球型密封胶芯为研究对象,通过材料拉伸和压缩试验,获得了胶芯的最优本构关系数据,并根据球型胶芯结构进行了二次优化设计。利用ABAQUS软件对优化前后的球型胶芯结构进行了数值模拟分析,找到了常规胶芯在密封过程中的变形规律,并对优化后的胶芯结构进行了安全性能评价分析。结果表明：胶芯向中心收缩的过程中,胶芯上部的橡胶沿径向方向的变形最大,胶芯向中心方向挤出的橡胶逐渐减少,最大接触压力值发生在胶芯棱边与钻杆接触的区域,改进后胶芯和钻杆的平均接触压力及密封长度相对改进前的变大。确定球型胶芯密封段最优倒角切削量+5 mm,该结构形式的球型胶芯密封性能较好,有助于提高球型胶芯的使用寿命。     

适用于裂缝-溶洞型喷漏地层的井下防喷器研究与测试

裂缝-溶洞型地层储集空间非均质性极强,在钻井时易发生井涌、井喷等事故。井下防喷器(blow out preventer, BOP)作为一种井下井控工具,当井涌或井喷等异常发生时,能够实现井下关闭钻杆内外环空于危险地层之上,保障井控安全。针对井下防喷器在裂缝-溶洞型地层应用时须满足大环空的密封要求,通过改进胶筒结构等关键部件,研制了以单段压缩式长胶筒作为密封单元的井下防喷器。防喷器的结构特点在于长胶筒以增加到40%的膨胀比例保证了间隙的密封性,经老化、冲刷后室内性能测试承压可达35 MPa。井下防喷器在整体性能测试中抗扭强度为36 100 N·m,抗拉强度为1 500 kN,满足正常工程应用要求。最后在裂缝-溶洞型地层区块中选取一口测试井进行功能性测试。测试结果表明,入井后防喷器坐封、解封功能均能实现,坐封过程中多次稳压正常,起钻后,整体部件功能正常,可靠性良好。     

带缺陷的蜂窝铝道面板平压疲劳特性试验研究

利用MTS试验机对含先天缺陷的蜂窝铝道面板进行平压疲劳试验,得到能表征各组试件疲劳特性的载荷比-疲劳寿命(r-N)曲线,分析试件平压疲劳的失效模式以及疲劳过程。研究结果表明:在铝板总高度不变的前提下,增加芯子高度会提高面板抗平压疲劳的性能,芯面脱焊对面板抗平压疲劳性能的影响不明显,下面板裂纹对面板抗平压疲劳性能有较大影响;面板在疲劳过程中,均表现为刚性体,起轴向力的承接传递作用,最终的失效模式为夹芯胞体壁板由侧向凸胀发展成纵向屈曲从而导致结构整体发生破坏。整个疲劳失效过程分为初始褶皱阶段、褶皱横向凸胀阶段、区域性褶皱阶段及临近疲劳寿命阶段。     

单轴贯入重复剪切试验研究沥青混合料永久变形

沥青路面车辙变形越发严重,降低路面使用寿命的同时大大影响行车安全.通过对比分析,提出运用单轴贯入重复剪切试验研究沥青混合料的永久变形.对高速公路沥青路面上中面层最常用的4种沥青混合料进行了不同荷载水平下的单轴贯入重复剪切试验,得到如下结论:单轴贯入重复剪切试验可以做出沥青混合料的三阶段变形;荷载越大混合料永久变形的速率越大,剪切疲劳寿命或流动数越小,当荷载大于或等于1.3MPa时改性沥青混合料在较小的荷载次数内变形过大,发生剪切破坏,而当荷载小于或等于1.1MPa时变形增加极慢,稳定地处于变形的第二阶段而不破坏;抗剪强度较大的沥青混合料抵抗剪切变形的能力较强,改性沥青混合料抵抗剪切变形的能力远大于普通沥青混合料;荷载应力水平和作用次数具有等效性.     

基于响应面法的泥浆泵机械密封结构优化

为解决泥浆泵机械密封受压导致端面变形进而失效问题。文章基于ZTZJB-D01泥浆泵密封模型，对密封环结构参数的性能影响进行研究分析，用拉丁超立方采样建立克里格响应面模型，对密封环结构参数组合进行优化，并使用静态结构模块对结果进行验证。研究结果表明，端面宽度与密封环的变形和应力成反比，与密封环最小疲劳寿命成正比。窄环高度和游隙深度与密封环的最大总变形和最大等效应力成正比，与密封环的最小疲劳寿命成反比。密封环的最大总变形力和最大等效力分别降低了61.11%和64.12%,最小疲劳寿命提升到15 069 cycle/s。响应面优化方法适用于泥浆泵机械密封的结构设计，使得密封环的强度性能得到显著提升。     

Inconel 718合金短管高温低周疲劳行为

基于位移循环加载试验,对反应堆压力容器密封元件Inconel 718合金O形环短管试样变形幅控制下进行了常温和300℃高温低周疲劳试验研究.结果表明,在循环加载中试样发生接触力松弛,当位移压缩比峰值不低于8%且压缩比幅值超过0.6%时试样会产生低循环疲劳失效.采用弹塑性接触有限元方法对引发疲劳裂纹的试样危险局部的应力应变进行了分析,给出了位移压缩比幅值与危险局部应变幅值的短管疲劳寿命估算式.疲劳试样断口微观分析表明,在初始大变形引起的裂纹萌生区,断口微观形貌表现为晶体滑移与解理撕裂,而在裂纹扩展区表现为解理撕裂与疲劳辉纹共生的混合型裂纹扩展.     

随机振动下装配误差对液压导管疲劳寿命影响仿真分析

在军事实战化训练强度全面提高的背景下,战斗机液压导管频繁出现裂纹、漏油等严重威胁飞行安全的故障情况。针对后机身液压导管疲劳寿命与机体结构寿命不匹配的问题,重点以装配误差作为液压导管疲劳寿命主要影响因素开展仿真分析研究。从随机振动载荷疲劳寿命分析入手,运用数字建模方法绘制典型管路模型,结合Miner线性累计损伤理论,利用有限元分析软件设置疲劳计算程序对正常装配液压导管疲劳寿命进行仿真评估。根据管路不同装配误差情况调整模型设置,基于结构动力学理论,对不同装配误差下的液压导管进行疲劳寿命分析,得到当装配误差大于0.73mm,液压导管疲劳寿命将低于3 000飞行小时机体寿命的分析结果。研究成果为进一步开展航空液压导管装配理论研究提供了技术支撑和经验参考。     

基于Patran/Nastran的大功率风电叶片隔板设计

采用有限元软件MSC Patran/Nastran对某大功率叶片隔板进行了结构分析,计算了3种工况下隔板的受力及变形情况,结果表明,当载荷施加在两隔板之间时位移达到最大6.86mm,隔板芯材应力达到最大0.431MPa;当载荷施加在单个加强筋上时,玻璃纤维达到最大应力19MPa。隔板位移、芯材应力及玻璃纤维应力均达到设计要求,计算结果为隔板的生产和使用提供了依据。     

新型高压油气井内防喷装置的设计

为快速安全地控制井喷失控事故,避免发生二次井喷,降低抢险救援过程中的安全风险,通过仿真试验设计一种操作安全、费用低的新型内防喷装置。采用变径挤压半封式闸板,将挤压与半封融为一体,同时实现管内、管外良好阻喷,配合组合胶芯作为密封基体实现可控柔性密封。关键部件挤压密封头的设计,能够使管柱受力更均匀,抵抗强度失效的能力得到提升,使挤压阻喷过程油管在内外高压下不出现裂纹,不发生泄露,并通过准静态压缩试验进行验证。与同类装置相比:事后不需打捞,耗资少;避免二次井喷,安全风险较低。     

单侧压下混凝土受拉疲劳试验研究

首次对混凝土在侧压分别为0．25fc和0．50fc作用下进行了受拉疲劳试验,得到了S-N方程,应力应变曲线,应变、疲劳变形模量比与循环次数关系曲线．应变、疲劳变形模量比与循环次数关系曲线表现为三阶段规律,通过定义的对数线性变换把上述三阶段曲线转换为直线,并利用了应变与循环次数关系第二阶段稳定变化的规律,对疲劳寿命进行了预测．     

黄原胶流变学性质的实验研究

研究了不同浓度黄原胶水溶液的流变学特性,回归了稠度系数K和流变参数n与黄原胶浓度Cp的关系,结果表明：溶液浓度较低时,黄原胶水溶液为牛顿性流体;随着浓度的增加,逐渐转变为假塑性流体．可以分别描述为黄原胶浓度Cp的函数：当0〈Cp≤30g／L时,K=1．128Cp^1.572．当0〈Cp≤8g／L时,n=0．485-0．16lnCp;当8g／L〈Cp≤30g／L时,n=0．075＋0．041lnCp．     

复合材料夹层结构的疲劳损伤性能

为研究复合材料夹层结构的疲劳性能,以轻木复合材料夹层结构为例,进行四点弯曲疲劳试验,得到结构的疲劳载荷-寿命(S-N)曲线;从疲劳损伤角度出发,描述结构的疲劳破坏机理;考虑剩余刚度,提出一种用于该类型结构的非线性疲劳损伤模型。结果表明:复合材料夹层结构的疲劳失效是一个损伤渐进累积的过程,位移演化呈现明显的三阶段特征;基于芯材剪切模量退化的指数型累积损伤模型可以较好地表达出复合材料夹层结构的损伤演化趋势。     

中碳贝氏体钢滚动接触疲劳的裂纹萌生

为了优化中碳贝氏体钢支承辊的磨削换辊工艺,研究了其接触疲劳时的裂纹萌生和扩展。在JPM-1B型接触疲劳试验机上测定了水润滑条件下的接触疲劳失效寿命曲线,并以裂纹沿平行表面方向扩展为判断标准,通过解剖试样的方法测定了裂纹萌生寿命曲线。结果显示两条曲线均在最大接触应力为0.86GPa处发生弯折,裂纹萌生寿命约为失效寿命的70%～80%。在扫描电镜下对试样观察发现:当接触应力较低时垂直裂纹占主导地位,而接触应力较高时棘齿裂纹占主导地位。这两种裂纹都具有一般短裂纹的特点。     

30CrMnSiA钢焊接接头疲劳特性研究

针对某型机部件焊接区连接模拟件开展了疲劳特性研究。首先通过静力试验机测试试验件的极限强度,确定试验件的薄弱部位。然后利用MTS疲劳试验机测试试验件的疲劳特性。试验结果显示,试验件在应力水平87 MPa时的疲劳寿命为106。试验件破坏位置均发生在缺口处。对断口采用扫描电子显微镜进行观测,分析了影响疲劳寿命的因素。该试验结果为部件结构设计的修正提供了依据。     

多轴非比例载荷下镁合金AZ21的疲劳性能研究

镁合金作为结构件承受多轴复杂载荷,其失效形式多为多轴疲劳失效.本文在空气环境中对镁合金AZ21分别进行了单轴、纯扭以及多轴循环力学性能研究,揭示了不同加载路径下材料的变形主导机制.疲劳试验结果表明,在相同等效应力幅下,非比例加载路径下镁合金AZ21的寿命较单轴、纯扭路径显著降低.采用Basquin公式预测镁合金AZ21在复杂载荷下的疲劳寿命.通过将路径非比例度的概念引入到Basquin公式中,可合理预测相同加载幅值下圆形路径和菱形路径作用时镁合金AZ21的疲劳寿命.     

基于压-直剪试验的沥青路面层间剪切疲劳特性

为探讨沥青路面在车辆荷载作用下的层间剪切疲劳特性,利用自主研发的压-直剪试验加载装置,对含层间界面的沥青混合料复合小梁进行层间压-直剪剪切疲劳寿命测试。通过改变3种环境温度(25℃、35℃、45℃)、2种黏层油用量(0.3、0.5 L/m~2)、5种剪切应力水平(0、0.03、0.06、0.1、0.2 MPa)及4种压应力水平(0.16、0.18、0.2、0.22 MPa)等试验条件,研究上述因素对复合小梁试件层间剪切疲劳寿命的影响规律。研究结果表明:随着温度升高,在25℃～45℃区间,0.3、0.5 L/m~2黏层油用量下的层间疲劳寿命平均降幅分别为47.12%、72.79%,黏层油用量较多时层间剪切疲劳寿命对温度变化更敏感;随温度升高,在相同温度梯度内,相对常温区间段[25℃,35℃)小梁层间剪切疲劳寿命的变幅大于相对高温区间段[35℃,45℃];随着压应力水平增大,层间剪切疲劳寿命也逐渐增大,但其增大趋势随着温度升高逐渐减弱,当温度为45℃、压力0.2 MPa时,层间疲劳寿命仅521.8 s;随着剪切应力增大,在25℃、35℃、45℃条件下,层间剪切疲劳寿命下降速率(分别为k_1、k_2、k_3),存在k_2k_1、k_2k_3的关系,且常温(25℃)状态下剪切应力对层间剪切疲劳寿命的影响不明显,而高温(45℃)状态下层间剪切疲劳寿命整体水平较低,剪切应力增大时其层间剪切疲劳寿命衰减效果也不明显。     

含面芯脱粘缺陷复合材料夹芯梁屈曲失效研究

为研究面芯脱粘缺陷对复合材料夹层结构屈曲特性的影响,对含贯穿矩形面芯脱粘缺陷的复合材料夹芯梁进行了试验和仿真研究.轴向压缩试验发现:试件破坏模式为混合屈曲失效,承载过程可划分为轴向压缩、局部屈曲、混合屈曲和坍塌失效四个阶段.在试验基础上,基于Abaqus非线性弧长算法,对复合材料夹芯梁的极限载荷及后屈曲路径进行模拟.采用三维内聚力单元模拟预制脱粘缺陷,从破坏模式和极限载荷两个方面与试验结果进行对比,误差为6.51%,验证了数值计算方法的可靠性.有限元分析发现:随芯层模量增加,极限荷载先非线性增长后线性增长;当缺陷因子为0.052时,极限荷载为完整结构的80%,为确保结构的承载特性,应在缺陷因子达到0.05前及时进行脱粘区域修补.     

服役后期海洋平台剩余寿命可靠度预测方法

为保证服役后期平台在延寿服役期内的安全性,需要对其结构整体剩余寿命可靠度进行预测.因此,重点研究了在随机波浪载荷作用下平台部分构件动力失效和疲劳失效时,平台整体时变可靠度预测方法.采用Miner线性累积损伤理论和首次超越失效准则,计算平台构件的疲劳寿命可靠度和动力可靠度,搜索并删除失效概率较大的构件,运用波浪增量动力分析法找出平台结构所能承受的极限波浪载荷,再结合服役海域波浪统计资料,计算平台结构系统整体时变可靠度以预测其剩余寿命.算例表明了该方法的实用性和简便性.