顶驱中心管螺纹的力学性能研究

顶驱中心管螺纹连接可靠性直接决定了钻井作业的效率,为降低事故发生率,有必要对中心管螺纹的力学性能和连接强度进行研究。基于弹塑性力学理论、虚功原理、Von Mises屈服准则、中心管材料本构模型试验研究结果,建立了二维轴对称有限元模型,获得了中心管螺纹接头的应力分布规律,通过钻具接头胀扣试验验证了有限元分析结果的可靠性。结合现场失效的管螺纹,分析了在紧扣圈数、轴向载荷工况下的应力分布以及管体变形情况。结果表明,过大的预紧载荷和轴向拉力易引起螺纹牙粘扣和管体剧烈变形。在此基础上对不同预紧状态和摩擦系数下的接头进行了分析,考察其在复合载荷作用时对应力分布的影响规律,得出其对牙体断裂风险、滑脱失效及抗粘扣性能等具有极大的影响。     

钻杆接头表面裂纹的断裂性能研究

定向井的钻井作业中,受到最大拉力的井口附近以及交变弯矩作用的造斜段是钻杆发生断裂的危险范围;接头螺纹及加厚过渡段的截面形状变化比较大,结构复杂,是疲劳裂纹产生的最主要的区域。以API NC50钻杆接头为例,建立了公螺纹根部含半椭圆表面裂纹的接头有限元模型,通过研究拉力、弯矩分别作用下裂纹前缘的断裂性能发现:公螺纹中完整啮合第一扣的根部最容易产生疲劳裂纹;拉力作用下量纲为一的应力强度因子大于弯矩单独作用的情况。另外,得到了螺纹根部裂纹扩展至不同深度的临界形状比,拟合出拉力和弯矩分别作用下量纲为一的应力强度因子随着裂纹扩展的变化规律,为研究位于井口附近以及造斜段的钻杆接头螺纹的疲劳寿命提供依据。     

0Cr18Ni9不锈钢材料断裂韧度的实验研究和数值分析

从实验研究和数值分析两方面研究了0Cr18Ni9不锈钢材料的断裂韧度。首先,通过单轴拉伸测试得到0Cr18Ni9不锈钢材料的应力-应变曲线,并验证了该应力-应变曲线符合Ramberg-Osgood弹塑性本构模型,利用全局优化算法反演得到其弹塑性本构参数。然后,结合声发射技术和扫描电镜断口观察,确定了0Cr18Ni9不锈钢紧凑拉伸试样的起裂载荷和I型裂纹实际的起裂断裂韧度。进一步,根据数字图像相关方法得到的全场变形计算了J积分,J积分随时间逐渐增大;最后,采用有限元法计算了起裂时沿裂纹前缘各处的J积分分布,发现J积分呈现中间较大、表面较小的分布特征,而且有限元计算的J积分平均值与从光学位移场数据计算的J积分接近。     

求解I型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量. 目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务. 以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是I型裂纹试样的断裂韧性测试. 本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种I型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数. 分析表明,6种I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好. 新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值. 应用新方法可便于获得各类I型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.      

J积分在分层非均匀介质裂纹问题中的应用

本文对分层非均匀介质裂纹问题的J积分进行了研究,旨在把J积分方法用于焊接接头或分层复合材料的断裂分析。利用弹塑性有限元和本文给出的分层介质J的数值计算方法,在各种载荷水平下对含有软夹层的非均质中心裂纹板的J值进行了计算。软夹层中的裂纹平行于或垂直于夹层与基体的分界,分别按Rice的J积分定义和本文的适用于一般多层介质裂纹问题的J的修正定义进行分析计算。考察了软夹层相对宽度对J积分值的影响。     

求解Ⅰ型裂纹构元J积分的半解析方法

表征裂纹尖端应力应变场程度的J积分是一个定义明确、理论严密的弹塑性断裂力学基础参量.目前J积分的计算主要是依靠塑性因子法和有限元法,但对各类裂纹构元获得J积分以及载荷-位移关系的解析公式以实现材料断裂韧性理论预测和材料测试是断裂力学的重要和困难的任务.以J积分为参量的材料断裂测试中应用最广的是Ⅰ型裂纹试样的断裂韧性测试.本文在平面应变条件下,针对断裂韧性测试中使用的6种Ⅰ型裂纹构元,基于能量等效假设,提出了J积分-载荷和载荷-位移的工程半解析统一表征方法,进而结合有限元分析的少量计算获得J积分-载荷和载荷-位移关系的半解析公式待定参数.分析表明,6种Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移统一公式的预测结果与有限元结果吻合良好.新提出的J积分-载荷工程半解析公式包含了材料的弹性模量、应力强度系数和应变硬化指数,能够广泛适应不同的材料,且运用该公式能够方便获取任意载荷点对应的J积分值.应用新方法可便于获得各类Ⅰ型裂纹构元的J积分-载荷和载荷-位移工程半解析公式.     

新型抗弯扭钻杆接头螺纹力学性能及仿真分析

由于API螺纹抗弯扭性能较差,导致接头螺纹的使用寿命会低于其设计寿命.以APINC50钻杆接头螺纹为例,通过改变API螺纹台阶面结构来增强API螺纹的抗扭性能.首先,通过万能材料试验机得到了 35CrMo的材料性能参数,建立螺纹材料的本构模型;其次,基于材料本构模型建立了钻杆接头螺纹有限元分析模型,并验证了该分析模型的...     

5-1/2 FH钻杆接头极限承载能力研究

随着超深井、定向井、水平井、大位移井及大斜度井在石油钻井工程中的广泛应用,由井下复杂工况引起的钻杆接头过早失效问题日益突出,导致钻井周期增长,成本增加,成为制约钻井工程效益的主要因素之一.近年来,不少学者对钻杆接头进行了大量研究,多数采用二维轴对称模型,少数采用三维力学模型,但并未同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用等因素的影响,而钻杆接头的极限承载能力研究更是鲜见报道.针对上述问题,基于虚功原理、von Mises屈服原则及接触非线性理论,同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用,建立了钻杆接头的三维数值仿真模型与井眼曲率到加载弯矩的转换模型,研究了钻杆接头的上扣特性、井眼曲率对连接强度和密封性能的影响,考虑预紧力、弯曲载荷及动载安全系数,计算了钻杆接头的极限工作拉力和极限工作扭矩.研究结果表明:上扣扭矩使钻杆接头产生一定的初始接触压力,保证钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能;井眼曲率对钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能影响极大,常见的某些工况会导致钻杆接头的连接强度和密封性能丧失,考虑服役时的随机振动与冲击,常规的超深井、水平井、定向井、大位移井及大斜度井弯曲段钻杆接头的设计和选型应着重考虑井眼曲率的影响;针对设计的每种钻杆接头,都应考虑常见的井眼曲率和轴向拉伸载荷进行极限工作拉力和极限工作扭矩的精细化数值计算,以确保其安全工作.     

基于非J控制扩展的安全评定方法

本文研究了非J控制扩展条件下,材料符合塑性增量理论的断裂参量(?)_1积分;并由高玉臣和黄克智的解和(?)_1积分建立了断裂评定参量裂纹尖端张开角CTOA的理论表达式,在详细弹塑性有限元计算和大型CT试件的裂纹扩展过程实测的基础上,建立了非J控制扩展条件下的弹朔性断裂的安全评定方法。     

近场动力学在断裂力学领域的研究进展

近场动力学采用非局部积分计算节点内力, 利用统一数学框架描述空间连续与非连续, 避免了非连续区局部空间导数引起的应力奇异, 数值上具有无网格属性, 可自然模拟材料结构的断裂问题. 本文概述了近场动力学的弹性本构力模型, 系统介绍了近场动力学临界伸长率、临界能量密度以及材料强度相关的键失效准则. 详细介绍了近场动力学在断裂力学领域的研究进展, 包括断裂参数能量释放率与应力强度因子的求解、J积分、混合型裂纹、弹塑性断裂、黏聚力模型、动态断裂、材料界面断裂以及疲劳裂纹扩展等. 最后讨论了断裂问题近场动力学研究的发展方向.      

Acoustic-emission crack monitoring in fracture-toughness tests for AISI 4340 and SA533B steels

The feasibility of using acoustic-emission techniques for the characterization of fracture resistance in AISI 4340 and SA533B steels is examined. The critical value of J-integral (J _IC ) is measured with a single small specimen (compact tension) loaded in the elastic-plastic range at room temperature. Initiation is detected during loading by acoustic emission. A new AE procedure for crack-growth monitoring in fracture-toughness specimens has been proposed. The possibility of discriminating AE signals from noncritical sources, such as void nucleation during crack-tip plastic deformation and signals from a growing crack, is discussed.     

带边缘斜裂纹橡胶板的裂纹扩展研究

应用断裂力学的方法分析了带有初始斜裂纹的二维橡胶板在简单拉伸下的裂纹扩展特性.应用ABAQUS有限元软件建立了二维橡胶板的有限元模型,计算出倾角为0°,15°,30°,45°和60°的边缘斜裂纹橡胶板拉伸试件沿不同方向的J积分,得出橡胶板的裂纹扩展方向.通过有限元分析得出橡胶板并非沿着初始裂纹方向扩展而是与初始裂纹方向呈一夹角,且随着裂纹倾角的增大裂纹扩展方向和初始裂纹方向的夹角逐渐减小.     

裂纹面摩擦接触引起的断裂韧性增长的研究

采用弹黏塑性的材料本构关系, 建立了压、剪混合型裂纹常速准静 态扩展的力学模型, 求得了裂纹面摩擦接触条件下裂纹尖端场的数值解, 并基于数 值结果讨论了扩展裂纹的摩擦效应. 计算和分析表明, 裂纹面的摩擦效应主要表现 在两个方面. 第一方面是摩擦会导致裂纹尖端区材料的断裂韧性增高, 并且裂纹面间的摩擦作用越强, 增韧效果越显著. 摩擦增韧的机制可以解释为裂纹 面间的摩擦作用导致裂纹尖端塑性区尺寸变大, 使裂纹尖端场的塑性变形能增加, 从而使得裂纹尖端区材料增韧. 摩擦生热并不是导致材料断裂韧性增长的根本机制. 第二方面是摩擦会导致``断裂延缓'. 利用裂纹面的摩擦来提高构件的承载能力和延长构件的服役寿命具有较大的工程实用价值.     

阴极充氢对结构钢裂尖形变行为的影响

采用微机控制激光散斑干涉技术，原位研究了结构钢单边缺口预裂纹试样在３．５％Ｎａｄ水溶液中，－１４００ｍＶ（ＳＣＥ）电位下阴极完氢６小时前后，裂尖材料形变行为的变化。同时，还对充氢与未充氢条件下光滑圆柱试样的应力－应变行为进行了对比研究，用扫描电镜观察了断口形貌。结果表明：由于氢的进入，使材料的加工硬化程度加剧，从而导致了变形困难。     

随机有限元方法在断裂分析中的应用

在幂律非线性随机有限元基础上,以单边裂纹板为例给出计算含量钢继裂参数,J（J积分）,δ（裂纹张开位移）,Δ（由裂纹引起的裂纹板上下底面相对位移）,θ（由裂纹引起的裂纹板上下底在相对转角）及其对基本随机变量变化率的方法和分析算例。     

非定常热传导对弹-粘/塑性变形和断裂的红外图像分析

本文使用CCD像机、热电偶和红外摄像机对有裂纹平板试样,在单轴拉伸实验中对裂纹尖端附近弹-粘/塑性变形,裂纹的发生、进展,裂纹开口位移和试样表面温度进行了测量.并且用非定常热传导理论对弹-粘/塑性变形和断裂过程中的温度效应进行了解析(FEM).结果显示对于铁合金在不同的应变速率下,用非定常热传导理论解析得到的裂纹尖端附近温度分布与红外图像非常接近.     

含中心裂纹梯度纳晶金属的数值模拟

梯度纳晶金属由于其微观组织的梯度分布,力学属性也呈现梯度变化,这使得其表现出不同于传统均匀材料的断裂行为．利用材料力学参数的梯度分布来表征梯度纳晶金属中晶粒尺寸的梯度变化,并编写ABAQUS和MATLAB脚本程序建立分层有限元模型．通过数值模拟计算了含有初始中心裂纹的梯度纳晶金属在受远端均匀拉应力作用下的裂尖J积分,分别研究了屈服应力梯度、裂纹角度和裂纹长度对金属材料断裂韧性的影响,并与传统粗晶进行了对比．结果表明梯度纳米结构的存在导致梯度纳晶金属内部的中心裂纹两端表现出不同的断裂韧性,小晶粒一侧裂尖的抗裂韧性优于大晶粒一侧裂尖,且屈服应力梯度绝对值越大,两者差距越大．梯度纳晶金属的断裂韧性受中心裂纹角度和长度变化的影响与传统粗晶金属基本一致,同时在晶粒尺寸梯度的作用下梯度纳晶的裂尖J积分略低于粗晶,即整体上拥有更好的抗裂韧性．     

Molecular dynamics simulation of deformation and failure of nanocrystals of bcc metals

Simulations of uniaxial and hydrostatic tension of Fe and Mo nanocrystal are made by molecular dynamics method. Stress versus strain are obtained while regularities of lattice rearrangement during nanocrystal plastic deformation are considered. Local instability of nanocrystal lattice, which is the cause for transition from elastic to plastic deformation of nanocrystal, is found. It is shown that local shear stresses is a driving force of nanocrystal lattice rearrangements under the conditions of both uniaxial and hydrostatic tension, so, local instability of nanocrystal of bcc metals should be considered as shear instability. Realization of “orthorhombic” path of deformation at 1 0 0 tension of Mo nanocrystal is specific case of above effect. It is demonstrated that unlike covalent nanocrystal, metallic nanocrystals display “heterogeneous” mechanism of crack nucleation, which essence is that cracks nucleate not in homogeneous elastically deformed lattice but in shear bands or near their boundaries, i.e., after non-homogeneous plastic deformation of nanocrystal.     

A multiscale model for the ductile fracture of crystalline materials

In this paper, a multiscale model that combines both macroscopic and microscopic analyses is presented for describing the ductile fracture process of crystalline materials. In the macroscopic fracture analysis, the recently developed strain gradient plasticity theory is used to describe the fracture toughness, the shielding effects of plastic deformation on the crack growth, and the crack tip field through the use of an elastic core model. The crack tip field resulting from the macroscopic analysis using the strain gradient plasticity theory displayes the 1/2 singularity of stress within the strain gradient dominated region. In the microscopic fracture analysis, the discrete dislocation theory is used to describe the shielding effects of discrete dislocations on the crack growth. The result of the macroscopic analysis near the crack tip, i.e. a new K-field, is taken as the boundary condition for the microscopic fracture analysis. The equilibrium locations of the discrete dislocations around the crack and the shielding effects of the discrete dislocations on the crack growth at the microscale are calculated. The macroscopic fracture analysis and the microscopic fracture analysis are connected based on the elastic core model. Through a comparison of the shielding effects from plastic deformation and the discrete dislocations, the elastic core size is determined.     

弹性T项对裂尖参数和裂纹扩展路径稳定性的作用

研究了弹性T项在主裂纹与近裂尖微空洞干涉问题中对裂尖参数和裂纹扩展路径稳定性的影响作用.利用“伪力”法,并通过解决主裂纹与近裂尖微空洞干涉问题,对远场纯1型载荷和远场弹性T项载荷下,该干涉问题中弹性T项的影响作用进行了分析从数值结果可以看出：由于空洞的存在;释放了弹性T项所引起的应力,弹性T项对裂尖参数;应力强度因子和J积分都有直接显著的影响,因而,它对该载荷下的裂纹扩展路径的稳定性有控制作用。