三维复杂井眼上提冲放套管屈曲摩阻模拟研究

针对复杂井身结构、复杂井眼轨迹和井径变化导致的套管下放困难甚至不能到达预期井深的问题,开展了三维复杂井眼上提冲放套管屈曲摩阻研究。在螺旋屈曲套管附加摩阻理论的基础上,利用有限元分析,以H井实际工况参数建立三维复杂井眼套管“上提冲放”作业过程的有限元模型。利用该模型对全井段套管受力及屈曲变形情况进行了分析,结果表明,H井直井段套管在冲放瞬间及自由稳定后所受的轴向力大于其螺旋屈曲临界载荷,从2 000 m井深至造斜点之间井段发生了严重的螺旋屈曲变形,套管螺旋屈曲附加摩阻太大而自锁,下部套管无法传递动力出现下放困难。该类三维复杂井眼套管下放困难机理对复杂井眼套管柱屈曲形态损伤及其失效研究具有重要意义。     

局部加卸载下颗粒体系接触力残留与应力残留的关系

以正五棱柱颗粒体系加卸载的光弹试验为基础,通过条纹解析量化了特征颗粒所受接触力,揭示了卸载过程中接触力的演化特征.结果表明:卸载阶段浅层颗粒间基本无残留接触力,而深层颗粒间存在显著接触力残留;最后一级荷载为临界荷载.采用离散元模拟重现了光弹试验,数值模拟所得接触力链、残留接触力及颗粒位移与光弹试验一致,从而验证了数值模拟的有效性.基于数值模型分析了加卸载阶段颗粒体系的应力演化,得出应力与接触力链、残留应力与残留接触力的空间分布均一致.     

等曲率井眼中钻柱与井壁间接触力分析

建立了等曲率井眼中考虑轴向力和重力的钻柱平衡方程式,采用理论和非线性有限元的方法分析了等曲率井眼中钻柱与井壁之间的接触力.采用牛顿-拉普森方法对非线性有限元方程进行了迭代求解.要保证理论分析的精度,同样需要考虑边界条件.计算结果表明,由于外力的作用,钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁间的接触力无影响,此时,井眼曲率越大,钻柱与井壁之间的接触力越大.当外力不足以使钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁之间的接触力有影响.与理论分析相比,非线性有限元方法应用范围更广,解的精度更高.     

边界条件对无重管柱螺旋屈曲的影响分析

针对无重管柱(忽略管柱重力的影响)螺旋屈曲问题,从虚功原理出发,将管柱边界条件分成2大类。指出前人的研究大多集中于第一类边界条件,而忽略了第二类边界条件。提出塞子模型模拟管柱的端部约束条件,并推导出管柱变形的广义势能泛函。利用最小势能原理,得到了第一类和第二类边界条件下的管柱完全螺旋屈曲段的变形方程,分析了边界条件对螺旋屈曲解的个数和稳定性、管柱与井壁接触力的影响规律。对于端部约束导致的过渡段,通过求解屈曲微分方程得出过渡段长度相对于长管柱整体而言是局部的。最后讨论了长管柱整体变形(完全螺旋屈曲段变形和过渡段变形)与边界条件之间的对应关系。边界条件是导致屈曲问题复杂化的一个重要因素,本文研究结果为深入认识边界条件的影响提供参考。     

等曲率井眼中钻柱与井壁间接触力分析

建立了等曲率井眼中考虑轴向力和重力的钻柱平衡方程式,采用理论和非线性有限元的方法分析了等曲率井眼中钻柱与井壁之间的接触力。采用牛顿-拉普森方法对非线性有限元方程进行了迭代求解。要保证理论分析的精度,同样需要考虑边界条件。计算结果表明,由于外力的作用,钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁间的接触力无影响,此时,井眼曲率越大,钻柱与井壁之间的接触力越大。当外力不足以使钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁之间的接触力有影响。与理论分析相比,非线性有限元方法应用范围更广,解的精度更高。     

一种改进的耗散型接触力模型及实验验证

为了研究含间隙运动副对连杆机构动态性能的影响,基于能够描述碰撞过程中能量损失的连续接触模型,建立了一个新的耗散型接触力模型.在这个新模型下对含间隙连杆机构进行动力学仿真,并进行了实验研究.主要考察了间隙尺寸和加载强度对连杆受力的影响.结果表明:间隙的存在会影响传递力曲线,使机构产生明显的振动冲击,间隙大小和加载速度是影响机构动态响应的主要因素.该仿真结果得到了实验的验证.     

考虑变刚度解耦膜的液压悬置动特性快速预测模型

针对液压悬置幅变特性难以计算的问题,提出了一种考虑解耦膜变刚度的固定解耦式液压悬置动特性快速预测模型。首先通过阐述固定式解耦膜的工作原理和特性,引入固定式解耦膜与金属笼的非线性接触力,依此建立固定解耦式液压悬置的集总参数模型;然后对解耦膜进行流固耦合有限元仿真,用分段函数描述解耦膜等效位移与非线性力的关系,并研究了解耦膜厚度、直径以及解耦膜与金属笼间隙等结构参数对变刚度特性的影响规律,采用BP神经网络建立了解耦膜刚度预测模型;最后,选择某固定解耦式液压悬置进行动态特性仿真计算,并与实测结果进行对比。结果表明:文中提出的模型是准确的,且可大大缩短液压悬置动态特性预测的计算时间。     

包络环面蜗杆传动的承载接触研究

用罚函数接触有限元法分析了包络环面蜗杆传动的轮齿应力、接触齿面上接触力分布、接触区的形状以及接触中心的偏移状况,研究了不同载荷作用下瞬时啮合齿对间的载荷分配和接触区域的变化规律;并用三维光弹实验验证了在载荷作用下包络环面蜗杆传动轮齿间的接触应力分布和载荷分配情况,其实验测试结果与用接触有限元分析所得数据具有一致性。     

反向式行星滚柱丝杠机构运动原理及仿真分析

对反向式行星滚柱丝杠机构工作原理和传动几何关系进行分析研究,基于运动关系方程式,推导出螺母、滚柱、丝杠三者间的旋向及头数关系,并给出基本参数选择依据.在此基础上,建立行星滚柱丝杠机构三维实体模型,利用多体动力学仿真软件ADAMS,对其进行动力学仿真分析,将仿真结果与理论推导结果进行对比,验证了仿真方法的正确性,并进一步分析了行星滚柱丝杠机构在不同外部载荷作用下螺母与滚柱、滚柱与丝杠之间接触力的变化情况.     

基于自适应柔顺控制的航天器部件装配

利用机器人技术完成航天器部件的装配任务，是中国航天领域的研究重点。仅依靠位置控制完成装配任务时，装配误差的存在会导致航天器部件存在较大的接触力，从而破坏航天器部件的表面质量和表面涂层，进而影响航天器部件的服役寿命。因此，在装配过程中需要使用柔顺控制来调控接触力。目前，在机器人装配中应用的柔顺控制方法需要依据经验设定控制参数，而2个装配体之间的接触力与控制参数密切相关，这会导致接触力不可控。为避免接触力过大，该文提出了一种柔顺控制方法，通过装配过程中的接触力和状态信息，根据不同环境刚度自适应地调整柔顺控制的目标位置和控制参数。为了验证此方法的可行性，该文进行了仿真和实验研究，并与位置控制和经典的导纳控制进行比较，实验结果表明：该文提出的方法具有收敛速度快、残余接触力小、可自动调节控制参数等优势。该方法为航天器部件的机器人自主装配奠定了理论和技术的基础，并有望应用于实际航天器部件装配任务中。