限制失稳模态方程及约束载荷计算

针对受压限制失稳结构,利用点接触、线接触屈曲模型,建立了杆在各种屈曲模态下的挠度曲线方程.通过求解曲线方程,可以得到发生限制失稳结构在各种屈曲模态下,与外部限制失稳构件之间的接触载荷大小,分析了受压结构与限制失稳构件之间的间隙对接触载荷的影响.通过对屈曲模态中各波形的形态进行调整,研究了同一屈曲模态,不同失稳波形下接触载荷的差异.     

井筒内杆管柱双层接触有限元分析及应用

构造双层多向接触间隙元描述细长油管柱与内外杆管柱的随机接触摩擦问 题,与空间梁单元相结合,采用变刚度与等刚度交替方式求解,得出抽油杆柱与油管柱以及 油管柱与套管柱的接触状态、接触位置、摩阻力大小以及抽油杆柱与油管柱在任意井深处的 广义内力、应力和变形. 三口井算例表明,抽油杆柱与油管柱的井口悬重误差低 于10{\%}, 能够为抽油杆和油管柱设计和失效分析提供可靠的计算方法和理论依据.     

基于模态缺陷的受压球壳屈曲特性研究

针对受压球壳非线性屈曲过程,对含初始缺陷受压球壳的稳定性进行研究。根据EN1993-1-6(2007)规范,给出不同制造等级壳体的等效缺陷值计算方法;基于线性特征值分析的模态构型给出初始缺陷的分布。利用非线性有限元弧长法对球壳受压失稳过程进行数值模拟,得到屈曲前后球壳变形情况及全过程载荷-位移曲线。计算一致缺陷模态法和N阶缺陷模态法对应的球壳屈曲临界载荷,结果表明,受压球壳对缺陷较敏感,承载能力随缺陷值增大而降低;一致缺陷模态法计算便捷,在工程应用上具有合理性,N阶缺陷模态法考虑高阶模态缺陷构型,结果更加全面,可以为工程中缺陷结构稳定性设计提供参考。     

基于模态缺陷的受压球壳屈曲特性研究

针对受压球壳非线性屈曲过程，对含初始缺陷受压球壳的稳定性进行研究。根据EN1993-1-6（2007）规范，给出不同制造等级壳体的等效缺陷值计算方法；基于线性特征值分析的模态构型给出初始缺陷的分布。利用非线性有限元弧长法对球壳受压失稳过程进行数值模拟，得到屈曲前后球壳变形情况及全过程载荷-位移曲线。计算一致缺陷模态法和N阶缺陷模态法对应的球壳屈曲临界载荷，结果表明，受压球壳对缺陷较敏感，承载能力随缺陷值增大而降低；一致缺陷模态法计算便捷，在工程应用上具有合理性，N阶缺陷模态法考虑高阶模态缺陷构型，结果更加全面，可以为工程中缺陷结构稳定性设计提供参考。     

关于结构限制失稳的研究进展

限制失稳是指构件失稳时其屈曲变形不能自由发展而受到某种限制性约束的失稳,有时又称单向失稳、接触失稳、约束失稳.这类问题在工业中有大量应用,也是固体力学中的一个经典问题.最常见的实例如应用于地下管道、隧道、压力容器、核反应堆安全壳中的薄衬壳,当薄衬壳发生屈曲时,由于受到外壁的约束,其屈曲行为和一般的壳体屈曲行为不同,这就需要我们发展新的研究方法.另外如受钻井套管横向约束的钻柱的屈曲,复合材料的分层屈曲,电子元器件中的镀层屈曲等也属于限制失稳的范畴.限制失稳问题因其涉及接触问题、单向屈曲、非保守问题等而显得十分复杂,一直没有得到很好的解决.从近年来文献看,限制失稳的研究多集中在压杆、圆环的研究,板、壳的研究相对较少.本文首先简单介绍了限制失稳的一般概念,指出存在的限制约束对结构屈曲特性的影响.然后分别介绍了对于杆、环、板、壳的受限制失稳的研究进展.最后提出了需要进一步深入研究的问题.图11参75      

THE COMPUTATIONAL METHOD FOR STABILITY OF TRUSSES WITH SMALL DEFORMATION

基于桁架结构稳定性计算的经典理论,分析了利用特征值理论开展桁架结构屈曲分析的计算方法,以及利用欧拉临界载荷屈曲理论,采取杆件撤除的静力求解确定桁架结构稳定临界载荷的计算方法. 通过理论研究和相关算例分析,论证了利用特征值理论和临界载荷屈曲理论相结合的方法,判断小变形桁架结构的失稳模态,求解桁架结构稳定临界载荷的确定性.     

柔性套管约束下轴心受压杆件的屈曲分析

针对柔性套管约束杆件,研究了轴压杆件与约束杆件点、线接触时的约束屈曲．在小挠度变形假设下,根据轴压杆件与约束杆件满足变形协调条件的二阶平衡微分方程,推导了轴压杆件挠度、轴向位移、接触反力的计算公式,并且由轴向压力唯一确定了线接触的长度．算例分析表明：当约束杆件刚度较小时,轴压杆件弯曲产生的轴向位移较大；当约束杆件刚度较大时,轴压杆件弯曲产生的轴向位移较小,该轴向位移与文献中的大挠度解吻合很好,从而得出小挠度变形假设是合理的．     

复合材料襟翼壁板屈曲失稳行为的栅线投影实验研究

本文利用栅线投影测量方法研究了蜂窝夹层板、工字型及T型加筋板三种不同结构形式复合材料襟翼壁板在压缩载荷下的屈曲失稳行为,得到了不同形式结构件屈曲的全场离面位移分布规律,分析了各自的屈曲失稳模式.研究结果表明,栅线投影测量方法在大尺度复合材料结构失稳变形测试中具有可行性;在相同面板尺寸条件下,工字型加筋复合材料襟翼壁板屈曲临界载荷最大,承载能力最强.本文结果可为飞机复合材料结构设计提供实验依据.     

油田用新式螺杆泵抽油杆大变形综合分析

本文对油田用新式螺杆泵的柔性抽油杆的扭转与伸缩进行了非线性分析，给出了应力、位移、扭转角的精确公式；进行了屈曲和塑性分析，并对现有抽油杆进行了数字计算，所得结果可供设计与安装参考。     

基于Layerwise离散层理论的复合材料夹层板屈曲分析

复合材料夹层结构由于面板和芯层力学特性差异较大,屈曲分析时要分层考虑各层的剪切变形。基于Reddy的Layerwise离散层理论,假设每一层变形服从一阶剪切变形理论,在统一的位移场描述下,推导建立了一种用于复合材料夹层结构屈曲分析的四节点四边形板单元,并采用混合插值方法对单元的剪切锁定进行了修正。分别对三种典型的夹层板结构进行线性屈曲有限元分析,并将计算结果与文献中已有结果进行了对比。结果表明：本文的分析方法能离散考虑各层的力学特性,将结构离散为多层时,计算结果与三维弹性理论或高阶板理论吻合;将结构等效为单层时,计算结果与基于一阶剪切变形理论的文献结构吻合,验证了单元的有效性。     

井筒内受压杆管后屈曲能量法分析与实验研究

目前不少理论力学教材都涉及刚体平面运动动力学方程的教学内容,但有些教材在叙述上有许多值得商榷之处.对这一重要的基本概念,本文提出作者的思考,供理论力学教学的教师与学过此内容的学生讨论.     

等曲率井中有重钻柱屈曲的非线性有限元分析

建立了等曲率井中有重钻柱屈曲的平衡方程及对应的泛函表达式，用有限元法对等曲率井 中有重钻柱屈曲过程进行了分析，给出了钻柱正弦屈曲和螺旋屈曲临界载荷的定义. 力学模 型中考虑了重力、钻柱上端井斜角和井眼轨迹曲率半径对屈曲的影响. 分析结果表明：载荷 增大时，钻柱的下端先出现局部屈曲，随后屈曲向钻柱上部扩展，导致钻柱发生整体屈曲， 屈曲位移、井壁约束力线密度和钻柱弯矩都呈周期性变化；重力对等曲率井中钻柱的屈曲有 较强的抑制作用，其影响不可忽略；井眼轨迹曲率半径越小，钻柱上端井斜角越大则对钻柱 屈曲的抑制作用越强.     

Tangential interaction of elastic spherical particles in contact

The elastic interaction of spherical particles is studied. The distribution of the stress, normal to the contact plane, is determined by the rod model suggested recently, which is applicable in the more wide range of deformations as compared with the classical Hertz law. In the rod model context an inner part of compressed particles is regarded as an elastic cylindrical rod, which radius is equal to the contact radius. The rod reaction is added to the normal particle interaction corresponding with the Hertz solution. The resulting normal force passes into the Hertz solution for infinitesimal deformations and gives stronger particle repulsion for finite deformations. Here we solve the Mindlin problem for the rod model, i.e., derive the tangential interaction of initially compressed particles when a relative displacement takes place. The analytical expressions, which determine the total displacement of the sphere’s centers and the corresponding tangential force, are derived. So, the generalization of the classical Mindlin law is obtained for the rod model.     

AN EXPERIMENT OF FRICTION OF COILED TUBING WITH RESIDUAL DEFORMATION IN HORIZONTAL WELL

连续油管钻井技术已经广泛应用到油井的各作业中,由于连续油管平时缠绕在滚筒上,塑性变形很大,虽然经过注入头的矫直,仍然会有较大的残余弯曲变形,会严重影响水平井延伸长度。本文通过相似实验得到管柱不同曲径比下所受到的摩擦力曲线拟合函数,然后再通过相似分析验证模型实验的正确性并得到各相似常数,进而求得连续油管与管壁之间的摩擦阻力。经实验数据分析得出5.08 cm (2 in) 的连续油管在经过多次弯曲变形后在水平井段所受到的阻力是理想未发生变形的2.3 倍。由此可以按摩擦系数的两倍来估算管柱所受到的实际延伸摩阻。     

Rubbing analysis of a nonlinear rotor system with surface coatings

Taking into account surface coatings painted on disc and casing, a nonlinear rotor system is established for simulating unbalance-rubbing coupled fault. During the modeling process of shaft, the nonlinear geometric relation between displacement and strain is considered. According to the Hamilton's principle, the restoring force between disc and shaft is described by the equivalent spring and the equivalent damper, and then the equivalent dynamic model is further set up. For contact analysis, the novel contact force model is employed to describe the impact force between disc and casing. Meanwhile, the Coulomb model is used to simulate the frictional force. The motion equations of the equivalent dynamic model are solved numerically and the corresponding dynamic behaviors are analyzed by bifurcation diagram, whirl orbit and Poincaré map. The relationship between equivalent linear/nonlinear stiffness and structural parameters is analyzed in detail. Moreover, the effects of eccentricity of disc, surface coatings and radius of shaft on the dynamic characteristic of the equivalent model are discussed.     

具有内核伸出段的套管构件在线接触阶段的受力性能研究

针对具有内核伸出段的轴压套管构件,建立了线接触阶段的力学模型;利用小挠度理论推导出了内核和套筒的剪力、弯矩、挠度、分布接触力、集中接触力等物理量的计算公式。通过与无内核伸出段套管构件的对比算例验证了本文相关物理量推导的正确性,分析了内核与套管在不同刚度比下相关物理量的变化情况。结果表明:由于内核伸出段的影响,点接触会提前向线接触变化,使套管构件的轴向承载力显著下降,端部的接触反力及内核的剪力、弯矩有显著的增加。对具有内核伸出段的套管构件进行了力学性能分析,结果表明:内核与套筒的间隙对线接触长度没有影响,内核的弯矩、剪力随着间隙的增加而增大;随着内核伸出段长度的增加,线接触长度及内核的弯矩、剪力增大。     

Soft-impact dynamics of deformable bodies

Systems constituted by impacting beams and rods of non-negligible mass are often encountered in many applications of engineering practice. The impact between two rigid bodies is an intrinsically indeterminate problem due to the arbitrariness of the velocities after the instantaneous impact and implicates an infinite value of the contact force. The arbitrariness of after-impact velocities is solved by releasing the impenetrability condition as an internal constraint of the bodies and by allowing for elastic deformations at contact during an impact of finite duration. In this paper, the latter goal is achieved by interposing a concentrate spring between a beam and a rod at their contact point, simulating the deformability of impacting bodies at the interaction zones. A reliable and convenient method for determining impact forces is also presented. An example of engineering interest is carried out: a flexible beam that impacts on an axially deformable strut. The solution of motion under a harmonic excitation of the beam built-in base is found in terms of transverse and axial displacements of the beam and rod, respectively, by superimposition of a finite number of modal contributions. Numerical investigations are performed in order to examine the influence of the rigidity of the contact spring and of the ratio between the first natural frequencies of the beam and the rod, respectively, on the system response, namely impact velocity, maximum displacement, spring stretching and contact force. Impact velocity diagrams, nonlinear resonance curves and phase portraits are presented to determine regions of periodic motion with impacts and the appearance of chaotic solutions, and parameter ranges where the functionality of the non-structural element is at risk.     

等直杆单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为了有效完成大型铰接单层网壳结构的后屈曲分析,本文采用对杆单元杆端力函数求导的方法推导出了等直杆单元切线刚度矩阵的精确形式。该切线刚度矩阵不受结构小变形限制,适用于结构产生任意大结点位移情况。以六角星桁架、平面圆拱桁架和大跨K8单层网壳结构为算例,采用广义位移控制法进行非线性后屈曲分析,其中预测子采用本文杆单元切线刚度矩阵。算例分析结果表明,本文杆单元切线刚度矩阵在大型铰接单层网壳结构的非线性后屈曲分析中有很强的预测能力。     

物性与温度相关材料广义热弹性模型及渐近分析

计及材料物性与温度的相关性,基于Clausius不等式和L-S广义热弹性理论,通过对自由能公式的高阶展开,构建了具有变物性特征的广义耦合热弹性动力学模型。推导了各向同性材料表面受热冲击问题的线性化控制方程组,利用热冲击的瞬时特征,借助于Laplace正、逆变换技术及其极限性质,给出了变物性条件下一维热冲击问题的温度场、位移场和应力场的渐近表达式。通过算例,得到了热冲击作用下各物理场的分布规律以及材料物性与温度相关性对于热弹性响应的影响规律。结果表明：材料物性与温度相关性对于各物理场的阶跃位置、阶跃间隔以及阶跃峰值均产生影响,但值得注意的是,相比于位移场和应力场的显著影响,其对温度场的影响效果并不明显。