井筒内旋转管柱动力学分析

井筒内细长管柱是石油工程中特有结构，考虑旋转管柱可能在任意井深和井眼圆周方向上与井筒产生随机碰撞接触，建立了旋转管柱动力学模型，并采用动力间隙元和空间梁单元、Newmark法进行动力学分析．经B3-4-P31等井的应用表明，该方法所设计的抽油杆柱能够在井下安全可靠工作，避免了抽油杆柱发生脱断、偏磨事故．     

试油测试射孔管柱的间隙元分析

建立了管柱接触非线性问题的间隙元法。用此方法对试油测试射孔管柱的受力状态进行了分析，并通过现场应用实例证明了此方法的可靠性和准确性。根据此方法开发的应用软件可为井下管柱的结构设计提供理论依据。     

井简内旋转管柱动力学分析

井筒内细长管柱是石油工程中特有结构,考虑旋转管柱可能在任意井深和井眼圆周方向上与井筒产生随机碰撞接触,建立了旋转管柱动力学模型,并采用动力间隙元和空间梁单元、Newmark法进行动力学分析.经B3-4-P31等井的应用表明,该方法所设计的抽油杆柱能够在井下安全可靠工作,避免了抽油杆柱发生脱断、偏磨事故.     

起下钻时的钻柱和液柱系统纵向振动过程分析

本文建立了钻柱、钻柱内液柱和环空液柱的系统纵向振动方程，分析了起下钻时波动压力和反压差的影响因素，阐明了井下钻柱所受载荷的变化与大钩载荷的变化具有相同规律，为井下工况的预测、井下事故原因分析及井眼轨道控制系统控制信号的确定提供理论依据。     

连续油管井下力学行为模拟实验研究

连续油管作业系统在井下受力复杂,借助相关实验研究可为连续油管实际入井深度、连续油管屈曲、锁死及解除锁死等问题提供解决思路. 根据相关理论计算结果确定了合适的实验系统几何参数. 设计了实验台架,进行了不同规格模拟连续油管和不同弯曲段长度实验. 分析了屈曲、螺旋屈曲锁死、首端屈服等实验现象,提出了螺旋屈曲锁死的条件. 实验结果与理论计算结果吻合较好. 该实验为连续油管井下力学行为分析提供了依据.     

油气井杆管柱动力学基本方程

本文通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，建立了用于对油气井杆管柱进行各种力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。     

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.     

井筒中电缆磨损风险评估技术

生产管柱下入时受复杂井眼轨迹影响,电缆磨损失效等情况时有发生,造成不必要的返工,影响作业成本与时效.针对这种情况,建立了井下生产管柱受力有限元分析模型,并采用间隙单元处理接触非线性问题,用以准确地分析井筒中生产管柱与井壁接触力大小及具体接触位置.通过定量评估不同井周处电缆磨损风险,并结合钻井平台的艏向,确定电缆最佳安放位置,使电缆在井下尽量避开管柱与井壁接触较为密集的位置,降低磨损风险.现场应用表明本评估方法可靠,能够为现场电缆安放提供参考.     

复合材料柱管撞击分析中的有限元方法

建立了复合材料柱管结构在撞击状态下的有限元分析模型，考虑了撞击大变形引起的几何非线性、撞击接触的非线性、纤维树脂复合材料的各向异性及材料的物理非线性．给出了利用该有限元方法分析玻璃环氧柱管撞击吸能特性，并与试验进行了比较，得到了较好的吻合结果，表明该有限元方法是有效的．此外，还讨论了纤维的铺设角度对复合材料管的吸能性能的影响．     

全尺寸隔水管在复杂应力状态下的力学特性试验研究

为对隔水管在复杂应力状态下的力学特性进行试验研究,研制了能够模拟高液压环境下管柱力学行为的特殊试验装置——深水管柱力学模拟试验系统,并借助该系统对全尺寸隔水管在受内外压条件下进行了力学特性模拟试验。结果表明:试验系统运行良好,能够有效地按照要求进行加载、卸载。试验中通过对隔水管试件进行内外压加载,同时对系统两端的轴向活塞加压,消除了由于内外压产生的轴向力,实现了在内外压条件下的隔水管力学特性模拟试验。通过在管柱外壁粘贴电阻应变片,得到了其真实径向应变与环向应变随内外压变化的关系曲线,并通过分析计算得到了试件的真实应力状态。由于隔水管加工制造等方面的误差,真实的应变数据、应力状态与理论推导结果并不重合。为了提高深水作业的安全性与经济性,可以借用试验结果对理论推导值进行修正,也说明了用试验方法进行隔水管力学特性研究的重要性。该试验系统为深水作业管柱等的模拟试验提供了一个良好的平台,能够有效降低深水钻采作业的风险,提高深水钻采作业的经济性与安全性,具有较高的推广应用价值。     

航天重大工程中的力学问题

近年来,我国航天重大工程蓬勃发展,航天工程中新的力学问题不断涌现,开展航天工程力学问题研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用。随着航天器朝着超高速、深空探测、多功能方向的发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣,发射过程中的多场耦合、非线性等问题更加突出。大阵面、大挠性的航天器对在轨结构展开、模态辨识、刚柔耦合控制提出新的要求,而高精度、高分辨率的观测需求,为航天器在轨微振动、热致振动的研究带来了新的课题。同时,这一系列的问题也对航天器的地面试验和仿真分析等提出了更高的要求,在这些领域,各国学者也积累了一定的成果。本文概括介绍了近年来航天重大工程中出现的新的力学问题,从航天器的发射、在轨运行、地面仿真和试验等方面对航天工程中的力学问题进行了综述。内容主要集中在耦合动力学、空气动力学、多体动力学、结构动力学以及试验力学等方面,同时提出了工程中力学方面所面临的问题以及下一步的发展方向。     

Mechanical problems in momentous projects of aerospace engineering

近年来, 我国航天重大工程蓬勃发展, 航天工程中新的力学问题不断涌现, 开展航天工程力学问题研究在航天技术的发展中起到举足轻重的作用.随着航天器朝着超高速、深空探测、多功能方向的发展, 其面临的发射和运行环境也更加恶劣, 发射过程中的多场耦合、非线性等问题更加突出. 大阵面、大挠性的航天器对在轨结构展开、模态辨识、刚柔耦合控制提出新的要求, 而高精度、高分辨率的观测需求, 为航天器在轨微振动、热致振动的研究带来了新的课题. 同时, 这一系列的问题也对航天器的地面试验和仿真分析等提出了更高的要求, 在这些领域, 各国学者也积累了一定的成果. 本文概括介绍了近年来航天重大工程中出现的新的力学问题, 从航天器的发射、在轨运行、地面仿真和试验等方面对航天工程中的力学问题进行了综述. 内容主要集中在耦合动力学、空气动力学、多体动力学、结构动力学以及试验力学等方面, 同时提出了工程中力学方面所面临的问题以及下一步的发展方向.     

初弯曲纵横弯曲梁的等效载荷法及其应用

介绍一种求解初弯曲纵横弯曲梁的方法——等效载荷法,以及该方法在解决实际工程问题中的成功应用,为井下控制工具的研制和井眼轨道控制提供了理论依据．     

非线性连续体拓扑优化方法综述

连续体拓扑优化方法可以从力学本质上提升结构的性能, 为设计人员提供多样性的创新性设计, 近年来得到了快速发展. 该领域在线性问题上发展已经较为成熟, 已经成功应用到很多工程结构的高性能设计. 但实际工程中会涉及大量非线性问题, 如果将其近似为线性问题, 往往会产生较大误差, 甚至得到错误的结果, 可能会导致重大的工程安全事故. 在航空航天、机械工程、海洋工程、高速列车、建筑工程等重要工程领域需求驱动的背景下, 非线性连续体拓扑优化方法近年来取得了引人注目的进展. 本文系统地综述了涉及材料非线性、几何非线性和边界非线性三种类型的连续体拓扑优化方法, 并对现有典型方法进行讨论和评述. 最后, 指出了非线性连续体拓扑优化方法目前存在的困难(如数值分析精度差、计算效率低、局限于静力学领域等)以及未来的发展方向. (如大变形大应变问题、非线性动力学问题、大规模拓扑优化设计问题等). 本研究综述可为非线性连续体拓扑优化领域的初学者提供较为全面的知识梳理, 同时也为从事相关领域学者提供应有的帮助.      

金属增材制造若干关键力学问题研究进展

金属增材制造是一种兼顾复杂结构和高性能构件成形需求的颠覆性制造技术, 在航空、航天、交通、核电等领域具有广阔的应用前景和发展空间. 该技术大规模推广应用所面临的制造效率和控形保性挑战是一个涉及力学、光学、材料、机械、控制等多学科交叉的难题. 本文针对其中涉及的若干关键力学问题, 阐述了近年来国内外在面向金属增材制造的结构拓扑优化设计、制造过程数值模拟、成形材料与结构的缺陷表征和性能评价方面的研究进展, 并对金属增材制造的结构设计?制造模拟?性能评价的发展趋势进行了展望.      

人工智能在复合材料研究中的应用

复合材料以其轻质高强高模、可设计性强等优点成为结构轻量化的重要用材. 然而, 随着复合材料组分、结构以及性能需求的日益复杂化, 以实验观测、理论建模和数值模拟为主体的传统研究范式, 在复合材料力学性能分析、设计和制造等方面遇到了新的科学问题与技术瓶颈. 其中, 实验观测不足、理论模型缺乏、数值分析受限、结果验证困难等问题在一定程度上制约了先进复合材料在面向未来工程领域中应用的发展. 人工智能方法以数据驱动的模型替代传统研究中的数学力学模型, 直接由高维高通量数据建立变量间的复杂关系, 捕捉传统力学研究方法难以发现的规律, 在复杂系统的分析、预测、优化方面拥有与生俱来的优势. 而通过人工智能赋能来寻求复合材料中传统研究方法所面临难题的新的解决方案, 目前已成为复合材料研究领域的发展趋势. 本文综述并评价了人工智能方法在复合材料性能预测、优化设计、制造检测及健康监测等方面的研究进展, 并对未来发展方向进行了探讨和展望.      

页岩气高效开采的力学问题与挑战

页岩气是指赋存于富含有机质泥页岩中以吸附和游离状态为主要存在方式的天然气,中国资源量丰富,地域分布广泛.页岩气开采能缓解我国常规油气产量不足、煤化石燃料引起环境污染等问题,已成为中国绿色能源开发的重要领域.尽管北美页岩气"革命"取得了成功,目前也仅有预期产量5%～15%的采收率.与北美地区相比,中国页岩气埋藏深,赋存条件差,自然丰度低,因此,高效开采面临更多的困难和挑战.近年来,围绕国家重大能源战略需求,瞄准技术发展前沿,学术界和工业界联合对页岩气高效开采的关键科学和技术问题展开研究.本文结合近三年四川、重庆地区的页岩气试验区块遇到的新问题,针对中国未来3 500 m以下深部开采的新挑战,如地质沉积、裂缝发育构造不同、上覆压力增加、水平应力场变化等新问题,介绍和总结了目前中国页岩气高效开采面临的力学科学问题,主要包括多重耦合下的安全优质钻完井力学理论和方法、水力压裂体积改造和多尺度缝网形成机制、多尺度渗流力学特性与解吸附机理等."深部页岩气高效开采"的研究面向国家重大能源需求,科学意义重大,工程背景明确,需要工程力学、石油工程、地球物理、化学工程和环境工程等多学科专家合作,开展理论研究、物理模拟、数值模拟及现场试验等综合应用基础研究,取得高效开采页岩油气理论与技术的突破.学科交叉是研究页岩气高效开采问题、突破技术瓶颈的桥梁,只有力学与石油工程、地球科学等学科实现深度交叉融合,才能更加有效地推动页岩油气等非常规油气资源的开发.     

珊瑚礁工程地质研究的内容和方法

珊瑚礁工程地质研究的主要内容为珊瑚礁自然地质条件、珊瑚礁岩土物理力学性质和珊瑚礁混凝土料问题。除了通常的工程地质研究方法外, 着重介绍珊瑚礁工程地质研究的钻探、触探和地球物理勘测方法。     

关于极端力学

随着前沿科学和新技术不断发展,工程材料与结构的超常规尺度、密度、硬度、刚度等性能以及在超常规温度、速度、场强和恶劣天气等极端服役环境中的力学响应规律,需要力学提供更为有效的理论和方法. 本报告从极端力学的基本定义和科学内涵出发,结合重大工程问题和大科学问题,从极端性能、极端载荷、学科发展等三个方面系统介绍了极端力学的研究现状,并总结了极端力学的特点及其对力学理论、计算方法和实验技术的挑战,最后对极端力学未来的发展进行了展望.      

煤炭地下气化关键力学问题的数值研究进展

煤炭资源的清洁高效利用已成为“双碳”背景下科学研究的重要方向和新课题.在众多相关技术中,煤炭地下气化技术近年来得到快速发展并展现出巨大潜力.然而,由于室内实验和现场试验的实施成本非常高,气化机理认识和控制运行工艺优化方面的研究均受到很大限制.近年来,运行成本低、操作简单、实施周期短的数值模拟方法成为重要的研究工具,得到越来越多的关注.由于煤炭地下气化过程极其复杂,数值模拟方法在数学建模和数值求解方面均面临巨大挑战.对此,本文开展了以下工作:对煤炭地下气化过程进行了详细分析,阐明各个运行空间的物质和关键问题,厘清煤炭地下气化的本质;归纳出流体动力学问题、热力学问题、材料应力问题以及化学反应动力学问题等4类关键力学问题;详细介绍每个关键力学问题数值研究的最新成果和发展历程;介绍煤炭地下气化数值研究的工程应用,并指出其发展趋势.本文工作对推动煤炭地下气化数值方法的发展以及指导我国煤炭地下气化先导试验设计和现场实施有积极的理论意义.