分布轴向力作用下隔水管横向自由振动分析

隔水管固有频率的精确计算对保证隔水管的安全使用和防止共振的发生有着极为重要的意义.在分析中,考虑了分布轴向力和顶张力的共同作用,建立了隔水管横向振动力学模型;基于牛顿定律和纵横弯曲梁理论,对微单元受力分析,得到隔水管横向自由振动的四阶偏微分方程;利用分离变量法将四阶偏微分方程简化为四阶变系数常微分方程;采用积分法求解四阶变系数常微分方程,得到隔水管横向自由振动固有频率的解析解.结果表明:(1)分布轴向力作用下隔水管横向自由振动的固有频率和振型,与将分布轴向力简化为集中力作用下隔水管的固有频率和振型有很大差别;(2)顶张力一定时,随着分布轴向力减小,隔水管固有频率增大;分布轴向力一定时,随着顶张力增大,隔水管固有频率增大;(3)采用积分法求解隔水管横向振动特性时,计算精度高,为隔水管的优化设计提供了可靠的理论依据.     

套管-水泥浆系统流固耦合振动特性研究

已有文献在计算振动固井套管固有振动特性时,未充分考虑水泥浆和套管流固耦合的影响,难以准确地得出套管在水泥浆条件下的振动特性。本文进一步考虑了套管和水泥浆的耦合振动特性,基于Euler-Bernoulli梁柱理论及Hamilton变分原理推导了套管与水泥浆耦合振动控制方程,采用有限元方法计算了套管在水泥浆条件下的振动特性,综合分析了管内压力、水泥浆密度、套管长度、水泥浆阻尼等因素对耦合系统横向振动固有频率的影响。结果表明:套管-水泥浆系统的耦合特性不可忽略,随着水泥浆密度的增加,套管横向振动的固有频率降低;套管内流体压力、水泥浆的粘性阻尼和科氏阻尼对耦合系统的横向振动固有频率影响较小,可以忽略不计;随着套管长度的增加,套管横向振动固有频率减小。研究结果可为振动发生器的优化设计提供理论基础。     

深水钻井隔水管在平台升沉运动下的参激振动响应分析

建立了深水钻井隔水管在平台升沉运动作用下的参激振动控制方程;利用振型叠加法将控制方程转化成马蒂厄方程形式,并用摄动法对马蒂厄方程进行求解;考虑海水的阻尼作用,得到了隔水管参激振动的马蒂厄不稳定区。最后对参激振动方程进行了实例求解,得到了参激振动下的隔水管位移,并在此基础上对参激振动的稳定性及隔水管强度进行了分析。结果表明:在给定的平台升沉周期与升沉振幅条件下,隔水管外径、壁厚、顶张力的变化均有可能引发隔水管产生参激共振;在不产生参激共振的情况下,隔水管Mises应力随隔水管外径与壁厚的增大而减小,随顶张力与升沉补偿装置轴向刚度系数的增大而增大;最大Mises应力均出现在隔水管顶部,沿水深近似成线性分布。     

深水钻井隔水管与井口耦合作用力学仿真分析

深水钻井时由于海底情况复杂,井口系统的稳定性可能受到诸多因素的影响。本文结合实际工况,综合考虑浪流载荷和地基反力等因素,建立了深水钻井系统力学理论模型,并分析了张紧力和平台偏移量对隔水管和地层组合管柱力学行为的影响规律。分析结果表明:上部载荷对地层管柱作用都集中在管柱的上部较短区域,作用能力有限;增加张紧力可以减小隔水管的横向位移和截面弯矩,有利于隔水管的稳定,但是会增加地层组合管柱的横向位移和弯矩,增加井口装置倾覆的风险;过大的平台偏移量会导致全段管柱较大的横向位移和截面弯矩,使得管柱被破坏的可能性大幅度增加。所以在钻井作业时,有必要控制平台偏移量,取用合适的张紧力,保证作业安全。     

隔水管弯曲对钻柱振动影响的计算与分析

海洋油气资源钻探中隔水管的弯曲对钻柱振动以及钻进特性有特别的影响。为得到隔水管弯曲对钻柱振动的影响规律,对南海已钻深水井使用非线性有限元软件建立全井钻井数值计算模型,研究获得了不同垂深时隔水管弯曲对钻柱振动特性的影响规律。研究表明:隔水管弯曲会加剧钻柱的振动,钻柱振动加剧会导致钻井能耗上升、钻头切削能力下降并且会加快钻柱疲劳;当隔水管的弯曲达到某临界值,钻柱与隔水管间的接触力会陡增;井口的钩载越大,隔水管弯曲带来的井口钩载波动量越大;井越深,隔水管弯曲对全井钻柱最大弯矩和钻头切削能力的影响越小。     

考虑横向拉伸的FGM夹层双曲扁壳自由振动分析

在双曲正弦高阶剪切变形理论的基础上,针对横向位移增加厚度坐标的幂函数项,考虑了横向拉伸的影响,研究了简支条件下功能梯度夹层双曲扁壳的自由振动。基于Hamilton原理推导出了其动力学模型,利用Navier方法计算了表层是功能梯度材料,芯层是匀质材料的双曲扁壳的量纲为一的固有频率,并与已有结果进行了比较。分析了功能梯度材料性质梯度变化指数、芯层厚度、长厚比、曲率半径与厚度比对量纲为一的固有频率的影响。结果表明:与已有结果比较,基于考虑横向拉伸影响的正弦剪切变形理论,功能梯度夹层双曲扁壳对量纲为一的固有频率的计算结果是准确的;量纲为一的固有频率随着材料性质梯度变化指数的增加而单调减小,随着长厚比的增加而单调增加,随着芯层厚度的增加而单调增加。     

考虑分布轴向力的细长杆横向振动与失稳分析

为量化梁、杆、柱的自重(下称分布轴向力)对静力失稳和动力横向振动的影响,在《材料力学》和《机械系统动力学》教材的基础上,建立了分布轴向力下的杆柱失稳和横向振动的力学、数学模型。采用有限差分法、伽辽金法和数值积分法获取计算结果。结果表明:考虑分布轴向力的杆柱横向振动固有频率随杆长增加而减小,杆柱失稳时一阶固有频率为0;分布轴向力对较短杆柱的临界载荷影响较小,对较长杆柱影响较大;伽辽金法不适用计算超长杆柱的失稳临界载荷。     

磁场和温度场作用下金属-陶瓷FGM圆柱壳固有振动

针对温度场中的金属-陶瓷功能梯度圆柱壳,基于物理中面下Love非线性薄壳理论,考虑物性参数沿厚度的梯度分布规律,得到含热应力项的内力和内力矩的表达式．根据电磁和弹性理论,得出磁场环境中导电功能梯度壳体的涡流洛伦兹力模型,给出动能、应变能及其变分表达式．应用哈密顿变分原理和伽辽金离散法,建立功能梯度圆柱薄壳的磁热弹耦合振动方程,推得两端简支约束下非轴对称振动壳体的固有频率特征方程．通过算例,得到功能梯度圆柱壳的固有频率变化曲线图,阐明了磁场、温度、材料属性及结构尺寸对振动频率的影响规律．结果表明：周向波数增大,固有频率呈现先减小后增大的趋势;磁感应强度增加,电磁阻尼效应逐渐明显,固有频率值减小;壳体厚度的增大、长度的减小和温度的大幅升高,使刚度项系数减小,固有频率值增加．     

纯平荫罩振动固有频率的研究

在高清晰度电视(HDTV)用的纯平彩色显像管中，由于荫罩的振动从而导致图像色纯度的降低．首先讨论了纯平荫罩振动的固有频率各种分析方法，然后应用弹性力学的基本理论，在建立薄膜横向振动基本方程的基础上，分析了纯平荫罩在四边简支条件下振动的固有频率和振型问题，得出了纯平荫罩振动频率的精确解，实例应用表明，在四边简支条件下的计算结果与实验结果基本一致，说明该方法确定纯平荫罩的振动固有频率是可行的、有效的，所得结果为减小荫罩振动进而对其结构参数进行优化设计提供了依据。     

碳纤维双马树脂基圆锥壳的热振动特性研究

本文针对碳纤维双马树脂基圆锥壳在自由边界条件下的热振动特性展开了研究.通过热模态试验获得了圆锥壳在不同温度时的前三阶固有频率,结果表明:圆锥壳的固有频率随温度升高而降低.结合有限元方法,分析了温度对圆锥壳的热振动特性的影响机理,结果表明:随着温度升高,一方面圆锥壳的弹性模量会降低,使固有频率减小;另一方面,复合材料单层...     

Effect of internal flow on vortex-induced vibration of risers

Although there are many studies dedicated to the problem of vortex-induced vibration (VIV) of marine risers, VIV experiments with internally flowing fluid have not been carried out before. In order to investigate this area, the present experiment with an internally flowing fluid and external current was designed. The riser was towed in the water flume with varying internal flow speeds. The tests in still water and in a current were conducted successfully. Various measurements were obtained including the frequency responses and the time-domain tracing of in-line and cross-flow responses. The experimental results exhibit several valuable features. First, with an increase in internal flow speed, the response amplitude increases while the vibration frequency decreases. Secondly, internally flowing fluid lessens the correlation of the vibration between different sections. In addition, by plotting both in-line strain and cross-flow strain simultaneously, a figure-of-eight for bending strain is also observed, and the trajectories in different cycles are more concordant with the increase of internal flow speed.     

热环境中旋转运动功能梯度圆板的强非线性固有振动

研究热环境中旋转运动功能梯度圆板的非线性固有振动问题．针对金属－陶瓷功能梯度圆板，考虑几何非线性、材料物理属性参数随温度变化以及材料组分沿厚度方向按幂律分布的情况，应用哈密顿原理推得热环境中旋转运动功能梯度圆板的非线性振动微分方程．考虑周边夹支边界条件，利用伽辽金法得到了横向非线性固有振动方程，并确定了静载荷引起的静挠度．用改进的多尺度法求解强非线性方程，得出非线性固有频率表达式．通过算例，分析了旋转运动功能梯度圆板固有频率随转速、温度等参量的变化情况．结果表明，非线性固有频率随金属含量的增加而降低；随转速和圆板厚度的增大而升高；随功能梯度圆板表面温度的升高而降低．     

深海采矿系统中悬臂式立管涡激振动分析

不同于传统的海洋立管, 深海采矿系统中的垂直提升管道可以被视为一个底部无约束的柔性悬臂式立管, 工作过程中同样面临涡激振动和柔性变形问题. 本文采用一种无网格离散涡方法和有限元耦合的准三维时域求解数值模型, 系统性地研究了不同流速下悬臂式立管的涡激振动问题. 结果表明: 悬臂式立管的横向振动模态阶数随折合速度增加而增大, 在一定折合速度范围内主导振动模态保持不变; 当主导模态转变时, 对应的横向振幅会发生突降, 但是当新的高阶模态被激发后, 立管振幅随来流速度增加而再次逐渐增大; 在相同的振动模态下, 立管底部位移均方根值随折合速度线性增加, 主导振动频率在模态转变时会出现跳跃现象; 特别地, 本文讨论了三阶主导模态下悬臂式立管的振动响应, 无约束的立管底部呈现出较大的振动能量, 且振幅的驻波特征随折合速度增加而逐渐增强; 本文比较了两端铰支立管与悬臂式立管的涡激振动响应特征, 两者在振幅和主导振动频率两方面均表现出了相同的变化趋势.      

复合材料结构力学分析CAE软件现状

复合材料结构分析软件是用以分析、设计复合材料结构的重要工具,常用的复合材料结构分析软件包括基于CAD软件发展而来的复合材料分析工具、通用有限元软件自带复合材料分析工具和以Digimat等为代表的专业化复合材料结构分析软件。本文对常用的复合材料分析软件进行了综述,介绍其主要功能,从学术、应用等多方面探讨相关产品的优点及不足;论述了专业化复合材料结构分析软件的特点及功能;分析了复合材料结构分析软件的现状和发展趋势;探讨了复合材料结构力学分析CAE软件在国产化方面所需进一步解决的问题。     

Vibration of two-dimensional hexagonal boron nitride

The dynamic behavior of two-dimensional nanostructures is important to the future application of nano devices. The vibrational behaviors of single-layered hexagonal boron nitride(h-BN) are studied by molecular dynamics simulation and continuum plate model. The bending stiffness and Poisson's ratios of h-BN along zigzag direction and armchair direction are calculated. H-BN is softer compared with graphene. The continuum plate model can predict the vibration of h-BN with four edge-clamped boundary conditions well. The electric fields in different directions have obvious influence on the vibration of h-BN. The natural frequency of h-BN changes linearly with the electric field intensity along the polarization direction. The natural frequency of h-BN decreases with the increase of electric field intensity along both positive and negative nonpolarization direction. While the natural frequency of h-BN increases with the increase of electric field intensity along both positive and negative transverse electric field.     

Experimental study on dynamic response of smooth and straked risers in tandem arrangement coupling interference effect

An experiment was conducted in a combined wave–current water flume on two tandem risers subjected to uniform flow. The riser model has an effective length of 2.0 m. The aspect ratio is 111.11. The upstream riser is smooth and the downstream riser fitted with three-strand helical strakes with pitch 17.5D and height 0.25D. By varying the external flow velocities and spacing ratios, through comparisons with the dynamic response of isolated smooth and isolated straked riser, the paper observe how interference effect impacts the dynamic characteristics and dynamic response of two risers in tandem arrangement, reveal how the suppression efficiency of the three-strand helical strakes responds to spacing ratio and external flow velocity, and explore the wake excitation effect of inter-riser fluids on the downstream riser and their dynamic feedback to the upstream riser. The results show that the dominant frequency of the upstream smooth riser is sensitivity to the change of the spacing ratio is low, and the displacement response is offset or enhanced in different degree due to the difference of the interference efficiency. The downstream straked riser dominates frequency and displacement higher than the isolated straked riser. The wake vortex of the upstream smooth riser acts on the downstream riser, occupying a dominant position in the vibration of the downstream riser. It degrades the vibration suppression efficiency of the three-strand helical strakes: the suppression efficiency is the highest at spacing ratio of 8, being a merely 70.57%. With the increase of the spacing ratio, the CF displacement of the riser gradually decreases, and the IL displacement gradually increases. The interference efficiency partition and suppression efficiency at different spacing ratios reflects the dynamic feedback of the upstream smooth riser is much smaller than the interference effect of the downstream suppression riser.     

谐波型波磨激扰下轮轨系统接触蠕滑特性

将钢轨波浪形磨耗理想化为三种波长和波深组合的连续谐波激扰，通过多体动力学软件UM，分析不同波长和波深工况下谐波激扰对轮轨接触蠕滑特性的影响。研究表明，当波长固定、波深增大时，钢轨轮对垂向振动加速度和纵向蠕滑率/力的平均值均增大，横向蠕滑率/力平均值均减小。当波深固定、波长增大时，钢轨轮对垂向振动加速度平均值和纵向蠕滑率/力平均值均减小，横向蠕滑率/力平均值均增大。纵横向蠕滑率/力均含有与初始不平顺频率值相接近的特征频率成分，纵向蠕滑率/力特征频率随着波深的增大趋向高频段发展，横向蠕滑率/力特征频率集中在低频段，且随着波深增大逐渐减小。当波深为0.3 mm时，纵横向蠕滑率/力强度相当，能量主要集中在低频，频率比较单一；当波深达到0.6 mm和0.9 mm时，蠕滑率/力以纵向蠕滑率/力为主，表现出多频率特征。在波长相同的条件下，随着运营时间的增加，磨耗量在低频段增加较小，在中高频段增加较大。     

热环境下功能梯度夹层双曲壳三维自由振动分析

功能梯度夹层双曲壳结构广泛应用在航空航天、海洋工程等领域中,对于该类结构的动力学特性研究非常重要。本文以热环境下功能梯度夹层双曲壳为研究对象,在三阶剪切变形理论的基础上,考虑横向拉伸作用的影响提出了一种新的位移场,假设材料的物性参数与温度有关,且沿厚度方向表示为幂律函数。利用Hamilton原理得到简支边界条件下功能梯度夹层双曲壳三维振动系统动力学方程,利用Navier法求得两种不同夹层类型的系统固有频率。研究了几何物理参数和温度场对功能梯度夹层双曲壳自由振动固有频率的影响。