MODEL ESTABLISHMENT AND LOAD TRANSFER OF SEMI ARTICULATED FLEXIBLE DRILLING TOOL1)

半铰接柔性钻具的载荷传递规律直接影响超短半径水平井钻进的成功率。为此,首先推导出半铰接柔性钻杆的单元刚度方程并揭示了半铰接柔性钻杆的弯矩传递规律;然后,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,验证了半铰接柔性钻杆有限元模型的正确性;最后,建立造斜段半铰接柔性钻具力学模型,对不同井眼曲率半径下半铰接柔性钻具的载荷传递规律进行研究。结果表明：井深位置相同时,井底扭矩值随曲率半径的增加而增大;半铰接柔性钻杆未锁死时,柔性钻杆不传递弯矩且井底扭矩波动较大,相关研究成果为柔性钻具的设计提供理论依据。     

THE DETERMINATION OF BUCKLING POINT AND CRITICAL LOAD OF COMPRESSIVE MEMBER

为了分析压杆失稳的临界力与失稳后杆件屈服形态的关系,在理论推导和试验研究的基础上,提出了通过捕捉细长压杆失稳时的失稳点来确定压杆临界力的分析方法,通过测量细长压杆失稳时微弯状态下杆端的纵向位移,求得临界压力的大小. 文中将该方法的实验结果与直接用欧拉公式计算的临界压力进行了比较,结果表明,考虑细长压杆微弯状态时杆端的纵向位移所得到的失稳的临界压力值大于利用欧拉公式计算的临界压力值.     

STUDY ON AMPLIFICATION FACTOR OF FLEXURAL BUCKLING CRITICAL LOAD OF AXIAL COMPRESSION BARS1)

为了建立一般条件下轴压构件屈曲临界载荷的计算理论,首先对轴心受压构件发生屈曲时的总势能方程进行了推导,然后采用Rayleigh-Ritz法并基于势能驻值原理得到了4种不同端部约束条件下轴压构件的屈曲临界载荷,对比欧拉临界载荷,给出了临界载荷放大系数 的计算式,全面考虑了构件长细比、压缩变形、剪切变形以及截面形状系数对临界载荷的影响,推导的计算式可用于较小长细比轴压构件发生屈曲时临界载荷的计算.圆截面和双轴对称工字形截面轴压构件屈曲临界载荷的分析表明构件长细比是影响放大系数的主导因素。     

ANALYSIS OF ULTIMATE BEARING CAPACITY OF PRESTRESSING CONCRETE BEAM END UNDER CORNER PRESSURE

根据摩尔库伦破坏准则，提出梁端混凝土在预应力钢筋约束下的边角受压极限承载力的计算方法，并得出极限承载力理论值.通过与有限元软件ABAQUS计算出梁端混凝土在预应力钢筋约束下的边角受压极限承载力结果进行比较，发现摩尔库伦破坏准则所得的理论公式与数值分析结果相近，验证了本文推导的理论公式的正确性.该理论公式表明，预应力能较好地改善梁端混凝土的受力状态，提升梁端的极限承载力.     

含有非圆形双孔的无限平板中应力的解析解研究

无限平板中含有任意形状单个孔的问题可以使用复变函数方法获得其应力解析解.对于无限平板中含有两个圆孔或两个椭圆孔的双连通域问题,也可以利用多种方法进行求解,比如双极坐标法、应力函数法、复变函数法以及施瓦茨交替法等.其中复变函数中的保角变换方法是获得应力解析解的一个重要方法.但目前尚未见到用此方法求解无限板中含有一个正方形孔和一个椭圆孔的问题.当板在无穷远处受有均布载荷和孔边作用垂直均布压力时,利用保角变换方法可以求解板中含有两个特定形状孔的问题.该方法将所讨论的区域映射成象平面里的一个圆环,其中最关键的一步是找出相应的映射函数.基于黎曼映射定理,提出了该映射函数一般形式,并利用最优化方法,找到了该问题的具体映射函数,然后通过孔边应力边界条件建立了求解两个解析函数的基本方程,获得了该问题的应力解析解.运用ANSYS有限单元法与结果进行了对比.研究了孔距、椭圆形孔大小和两孔布置方位对边界切向应力的影响,以及不同载荷下两孔中心线上应力分布规律.      

不同滑移边界下的页岩渗透率修正模型

页岩中的孔隙直径通常为纳米量级,基于连续流的达西定律已不能描述纳米级孔隙内的气体流动规律,一般采用附加滑移边界条件的Navier-Stokes方程对其进行描述. 由此可导出与压力相关的渗透率公式(称为"视渗透率"),并用来修正达西定律.因而,渗透率修正方法研究成为页岩气流动研究的热点之一.首先,基于Hagen-Poiseuille 流推导出一般形式二阶滑移模型下的速度分布和流量公式,并推导出相应的渗透率修正公式.该渗透率修正公式基本能将现有的滑移速度模型统一表达为对渗透率的修正. 基于一般形式的渗透率修正公式,重点研究了Maxwell, Hsia, Beskok与Ng 滑移模型速度分布渗透率修正系数、及其对井底压力的影响;提出了基于Ng 滑移速度模型的渗透率修正公式. 基于页岩实际储层温压系统及孔隙分布,计算了Kn 范围及储层条件下页岩气的流动形态,表明页岩气流动存在滑移流、过渡流与分子自由流. 而Ng 模型能描述Kn<88 的滑移流、过渡流、自由分子流的流量规律,因此可以用于描述页岩实际储层中页岩气的流动特征. 计算表明,随着Kn 的增加,不同滑移模型下的渗透率修正系数差异增大.Maxwell与Hsia模型适用于滑移流与过渡流早期,Beskok与Ng 模型可描述自由分子流下的流动规律,但二者在虚拟的孔径均为10nm页岩中,井底压力的差别开始显现;在虚拟的孔径均为1nm页岩中,井底压力的差别开始明显.      

ANALYTICAL SOLUTIONS FOR THE STRESS IN THE SURROUNDING ROCK CONTAINING A CIRCULAR CAVITY WITH CONSIDERATION OF INTERNAL PRESSURE AND GRAVITY1)

对于浅埋管道而言,土体自重对其围岩应力场影响不可忽略。基于Verruijt提供浅埋洞室问题求解基本方法,同时考虑自重和内压作用,研究了半无限域中圆形孔洞的围岩应力问题。利用复变函数、保角映射和傅里叶变换等方法,推导了考虑围岩自重和内压作用下半无限域中孔洞应力的解析解,分析了内压和孔洞大小及径深比对考虑自重作用下的围岩应力的影响,为管道设计和施工安全提供了理论依据。     

PREDICTIONS OF EFFECTIVE OUT-PLANE SHEAR MODULUS AND SIZE EFFECT OF HEXAGONAL HONEYCOMB

给出了预测六边形蜂窝材料等效剪切模量及其尺寸效应的圆筒扭转力学模型和扭转能量法,建立了等效面外剪切模量G₁₃相对于材料体分比ν、周向单胞数n、圆筒半径r和单胞层数参数m变化的解析表达式;同时将扭转能量法、有限元数值模拟计算和G-A经典细观力学方法进行了比较,从理论上揭示并验证了尺寸效应的存在性. 结果表明,当蜂窝体胞尺寸相对结构尺寸无穷小时,预测结果趋近于细观力学方法的结果. 此外,利用周期性蜂窝材料的结构对称特性,使用体胞子结构有限元计算模型进行等效面外剪切模量及其尺寸效应的预测,在不影响计算结果的前提下极大地提高了计算效率.     

ANALYTICAL SOLUTION OF THE FREE VIBRATION OF VISCOELASTIC SANDWICH ANNULAR PLATE

基于薄板小挠度理论和Kelvin-Voigt 黏弹性本构方程,建立了黏弹性夹层环形薄板振动控制方程.采用分离变量法计算了内边固支、外边自由黏弹性夹层环形薄板的固有频率和振型,并与有限元计算结果进行比较. 分别讨论了夹心层比和内外半径比对固有频率及衰减系数的影响. 研究表明:系统频率随夹心层厚度增大,先增大后减小,而衰减系数一直增大;系统频率和衰减系数随内外半径比增大而增大.     

FRICTION MECHANISMS OF OVERLAPPED SHEETS OF TWO BOOKS UNDER HORIZONTAL UNIAXIAL TENSION

将两本书以一页搭一页的方式联接在一起,然后向水平方向两侧拉伸,纸张间会产生机理复杂的摩擦力,摩擦力的总和可以使搭接结构的极限拉力达到很大.本文在不同搭接长度及不同搭接页数的条件下,对极限拉力进行了实测,得到了搭接长度与搭接页数对极限拉力的影响关系.对摩擦力产生机理进行了分析,给出了理论模型的公式,并通过MATLAB对相关系数进行了与实测数据的最小二乘法拟合,得到了半理论半经验的摩擦力计算公式.计算公式可以为这种特殊联接工艺的最大承载拉力计算提供参考.     

SIMULATION STUDIES OF VISCOSITIES OF Cu-H2O NANOFLUIDS BASED ON COARSE GRAINING WATER MOLECULES

分子动力学模拟是研究纳米流体的黏度特性的重要手段,但计算量庞大. 文章通过对基液水分子粗粒化,使得计算量大幅度减小,且计算精度与全原子模拟相当. 基于平衡态分子动力学,模拟研究了Cu-H₂O 纳米体系的微观运动特性,通过格林- 库博(Green-Kubo) 公式对Cu-H₂O 纳米流体的黏度进行了模拟计算,并考察了温度、体积分数、粒径和颗粒形状对于Cu-H₂O 纳米流体黏度的影响,对已有的悬浮液黏度经验公式进行了修正.     

局部径向载荷作用下外压薄壁圆筒稳定性分析

为简化真空塔器外挂件支撑区局部失稳分析,提炼出局部径向载荷作用下外压薄壁圆筒稳定性计算模型. 以易拉罐为薄壁圆筒试件,对不同外压下试件的局部径向临界载荷进行了测试. 利用有限元法对各实验模型进行了特征值屈曲分析,结果与实验数据能较好地吻合. 采用正交设计及参数化计算,得到了各结构参数及外压下的局部径向临界载荷经验公式. 实例计算表明,所得经验公式稍有保守,可用于真空塔器外挂件支撑件区的局部稳定性分析.     

光滑节点插值法:计算固有频率下界值的新方法

将光滑节点插值法用于悬臂梁的静力学,并首次用于旋转柔性梁的频率分析. 采用梯度光滑技术,用线性插值形函数描述梁的位移场,求解4 阶微分方程. 在静力学分析中,将该方法所得梁中各点位移与假设模态法、有限元法及解析解的结果对比,可知该方法虽用简单的线性插值形函数描述梁的位移场,但精度却很高. 进一步研究表明,采用模态高于9 阶的假设模态法会使刚度阵条件数变差,导致结果发散. 在频率分析中,与有限元法、假设模态法和解析解对比,表明该方法一个重要特性:能提供固有频率的下界值,而有限元法和假设模态法只能提供固有频率的上界值,说明该方法结合有限元法在处理无解析解的问题时可以从上下界最大程度的逼近真实解,提高精度. 光滑节点插值法具有形函数结构简单、独立变量少且能提供固有频率下界值的特性,因此,具有较高的推广及应用价值.      

页岩气致密储层渗流模型及压裂直井产能分析

页岩气储层中存在大量的纳微米孔隙,其中气体的流动规律不同于常规气藏. 文章考虑克努森扩散及解吸作用的影响,建立页岩气稳态条件下产能公式,利用渗流阻力法得到了页岩气储层压裂直井产能方程.结合生产实例,进行了数值模拟计算. 结果表明：当裂缝导流能力达到0.12μm²·cm 后,产气量增幅减小,由此对裂缝导流能力进行优化. 游离气产量占总产气量的85%～90%,游离气对总产气量贡献较大. 该模型为页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

轨道车辆空气弹簧疲劳分析

利用基于开裂能理论的疲劳分析方法对空气弹簧进行寿命评估. 借助有限元技术对带有附加气室的空气弹簧系统进行仿真, 提取空气弹簧胶囊每个单元中心的应变历程, 将应变历程代入开裂能计算公式计算每个单元中心所有可能开裂平面的开裂能峰值, 再利用开裂能峰值计算撕裂能峰值, 进而计算对应的等效撕裂能, 最后利用等效撕裂能计算每个单元中心所有可能开裂平面的裂纹扩展速率和对应的疲劳寿命. 将疲劳预测寿命与实验寿命进行比较, 结果表明疲劳预测寿命是实验寿命的1.91 倍, 验证了疲劳仿真模型和方法的可靠性.     

EXPERIMENTAL STUDY OF SUBSIDENCE DEFORMATION OF AEOLIAN SOIL AROUND FUXIN CITY UNDER SEISMIC LOADS

地震作用诱发的场地土震陷问题引起了人们广泛关注. 以阜新地区风积土为研究对象,进行了50年超越概率2% 和10% 的地震载荷及等幅正弦载荷作用下风积土的震陷试验,探讨了振动次数、动应力幅值和含水量对风积土震陷系数的影响规律,建立了风积土震陷系数经验公式. 依据分层总和法估算了2 条地震载荷和等幅正弦载荷作用下风积土场地震陷量,并对场地风积土的震陷性进行了评价. 以上研究成果将为阜新地区风积土地基的抗震防震设计提供参考依据,具有重要的工程应用价值.     

R-function method in studying the vibrations of orthotropic shells with varying thickness

The paper proposes a method to study the natural vibrations of orthotropic shells with varying thickness. The method employs the R-function and Ritz methods. The use of R-functions allows examining shells with complex planform and different boundary conditions. The method is validated by comparing the results it produces with those obtained by other methods. The effect of geometrical (the shape of the shell, radius of curvature, shape of the hole, thickness) and mechanical (boundary conditions, angle of anisotropy axes) parameters on the spectrum of natural vibrations is analyzed     

INVESTIGATION ON THE ATTENUATION OF A ROTATING LIQUID MOTION IN A CYLINDER WITH BOUNDARY RESISTANCE

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理，采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性，采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟，建立了壁面糙率、旋转半径，静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试，验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法，获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程，分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明，边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素，边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快，圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.     

压缩双裂纹和单裂纹圆孔板应力强度因子公式

从理论模型和数值分析上澄清了国外文献关于压缩双裂纹圆孔板(double cleavage drilled compression,DCDC) 的应力强度因子不同的公式引起的混淆. 证明Plaisted 等用修正压缩无限大板中圆孔双边裂纹的解和欧拉-伯努利梁理论得到的DCDC 应力强度因子公式都存在推导和原理性的失误. 指出Jenne 等推导的公式形式过于复杂不便使用, 而He 等的公式适用范围偏小. 通过拟合有限元法宽范围数值计算结果导出DCDC 的应力强度因子的新公式, 该公式形式简单, 对无量纲裂纹长度和无量纲板宽度适用范围较大, 最大误差是7%. 此外, 还对新提出的压缩单裂纹圆孔板(single cleavage drilled compression, SCDC)做了分析, 首次得到的SCDC应力强度因子公式的最大误差是5%. 给出的2 个公式可分别用于脆性材料DCDC 或SCDC 试样的断裂韧度测试.     

EXPERIMENTAL STUDY AND NUMERICAL SIMULATION OF MECHANICAL BEHAVIOR OF TRUSS BOOM DURING HOISTING PROCESS

吊机是海洋钻井平台的关键设备,为确保整套系统的安全运行,研究桁架式吊臂在变幅平面内的结构力学性能. 考虑到桁架式吊臂的结构特点及构件性能退化等不确定因素,采用有限元方法,以承载杆件应力为修正指标考虑损伤的影响,建立了吊臂的三维数值模型,对变幅全过程进行了数值模拟和试验研究,结果表明：应用该方法可以比较真实地模拟出吊臂的变幅过程和结构力学性态,确定结构的薄弱部位,为吊装作业和吊臂结构的安全运行提供有价值的建议,适合工程应用.