高造斜井眼轨迹控制工具主轴力学行为研究与优化设计

依据高造斜井眼轨迹控制工具的基本结构,建立实际工况下的主轴力学模型.分析了钻压、偏置机构的偏距对主轴力学行为的影响规律,分析得出,外壳与主轴存在较强的相互作用;增加钻压会降低钻头偏转角、偏置机构作用力和主轴最大截面弯矩;钻头偏转角、偏置机构作用力和主轴最大截面弯矩随着偏置机构偏距的增加而线性增加.通过分析偏置机构安装位置、主轴刚度对主轴力学行为的影响规律得出,降低主轴刚度能有效减小偏置机构作用力和主轴最大截面弯矩,且不影响钻头的偏转角.该分析能有效指导高造斜井眼轨迹控制工具的设计与现场应用.     

指向式导向工具主轴偏置力与造斜性能研究

为研究钻压传递机构安装位置对指向式导向工具主轴偏置力与造斜性能的影响规律，基于横向弯曲梁和纵横弯曲梁力学模型建立了考虑轴向载荷的主轴力学模型，运用微分方程通解对管柱力学进行求解的管柱单元组合方法，推导出主轴的几何方程和力学方程，分析了钻压传递机构安装位置对导向工具偏置力、钻头侧向力与钻头倾角等造斜性能参数的影响。结果表明，钻压传递机构安装位置距离钻头越远，工具主轴造斜所需的偏置力越小，而钻头侧向力与钻头倾角越大。     

变刚度梁柱理论及其应用

为解决井斜控制实践中存在的不等截面尺寸梁柱问题, 讨论了典型的变刚度纵横弯曲梁力学 模型. 根据变刚度梁柱变形的挠曲线微分方程和边界条件及连续条件, 得到了梁柱变形和端 部转角的解析计算式, 进而应用梁柱理论叠加原理可解决有集中力作用下的井下控制工具和 带变径稳定器的底部钻具组合(BHA)受力分析问题. 变刚度梁柱理论在BHA力学分析中得到了 成功应用, 为井下控制工具设计、钻具组合优化及井斜控制提供了理论依据.     

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。     

半铰接柔性钻具模型建立及载荷传递规律研究

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。     

端弯矩与端部约束对钢柱抗火性能的影响

基于有限元方法模拟约束钢柱在火荷载作用下的抗火行为,分析轴向约束刚度、转动约束刚度、同向曲率的端弯矩作用对其抗火性能的影响,探讨轴向约束刚度、转动约束刚度与临界温度之间的关系。通过对约束钢柱火灾下的受力及变形性能较为全面地进行参数分析,得出:轴向约束刚度比增大,钢柱临界温度降低;转动约束刚度比增大,临界温度升高;在轴向约束条件下,截面温度分布均匀时端弯矩作用使钢柱临界温度显著降低;截面温差为200℃时,端弯矩作用的不利影响更加明显,端弯矩作用越大,受约束钢柱抗火性能越低;具有转动约束的钢柱,约束作用较小时,端弯矩作用会对其抗火性能产生不利影响,约束作用较大时,端弯矩作用对其抗火性能影响较小;截面温差为200℃时,端弯矩作用下的转动约束钢柱临界温度值几乎与轴向荷载作用下相同。另外,划分了"安全区"和"非安全区"两个区域,在抗火设计中保证钢柱的温度在安全区范围内,钢柱的抗火能力即可满足要求;端弯矩作用对约束钢柱抗火性能具有不利影响,会使安全区范围缩小。     

内圈离心位移对高速角接触球轴承刚度的影响

以弹性力学理论、滚动轴承动力学和沟道控制理论为基础,计算了角接触球轴承内圈在离心力作用下的径向位移,给出了计及内圈离心位移影响时,高速角接触球轴承滚动体与内、外圈的接触刚度与轴承整体的径向刚度、轴向刚度、角刚度的计算方法和相应程序。对7012/CD轴承的计算结果表明,轴承内圈外径的离心位移随转速增加而增大,在高速条件下其值较大,不容忽视;轴承内圈离心位移对内圈接触刚度和轴承径向刚度影响较大,导致内圈接触刚度和轴承径向刚度相对增大;对外圈的接触刚度、轴承轴向刚度和角刚度的影响很小;随着转速的增加与内圈离心位移的增大,对轴承内圈接触刚度与轴承径向刚度的影响会更加明显。因此,为使高速角接触球轴承的刚度分析更加精确、更加接近实际,必须考虑内圈离心位移的影响。     

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。     

旋转导向钻具组合力学分析

旋转导向系统代表了当今定向钻井的先进水平,是井眼轨道控制技术的发展方向. 为了解决旋转导向钻井轨道控制问题,进行了旋转导向钻具组合(rotary steering bottom hole assembly, RS-BHA) 力学分析. 应用纵横弯曲法建立了典型的柔性RS-BHA 三维力学分析模型,得到了钻头侧向力和导向参数间的相互关系,进而根据极限曲率法可预测旋转导向工具的造斜能力,并计算设计井眼轨道需要的导向参数. 通过力学分析,可以优化RS-BHA,了解井眼轨道控制规律,为旋转导向工具设计和定向钻井自动控制提供理论依据.     

利用有限元法计算径向磁轴承性能

利用非线性有限元方法(FEM)计算了一种径向磁轴承(定子具有8磁极常规结构)的转子在无偏心以及偏置电流分别为0.5 A、1.0 A和1.5 A下的电磁力及其电流刚度与位置刚度,预测了径向磁轴承的承载力,给出了其磁场分布图,并与磁轴承的线性化模型参数进行了比较.结果表明,基于有限元方法得到的计算值同试验结果一致,可以为径向磁轴承的设计和分析提供依据.     

Fluid-solid coupling model for studying wellbore instability in drilling of gas hydrate bearing sediments

As the oil or gas exploration and development activities in deep and ultra- deep waters become more and more, encountering gas hydrate bearing sediments （HBS） is almost inevitable. The variation in temperature and pressure can destabilize gas hydrate in nearby formation around the borehole, which may reduce the strength of the formation and result in wellbore instability. A non-isothermal, transient, two-phase, and fluid-solid coupling mathematical model is proposed to simulate the complex stability performance of a wellbore drilled in HBS. In the model, the phase transition of hydrate dissociation, the heat exchange between drilling fluid and formation, the change of mechanical and petrophysical properties, the gas-water two-phase seepage, and its interaction with rock deformation are considered. A finite element simulator is developed, and the impact of drilling mud on wellbore instability in HBS is simulated. Results indicate that the re- duction in pressure and the increase in temperature of the drilling fluid can accelerate hydrate decomposition and lead to mechanical properties getting worse tremendously. The cohesion decreases by 25% when the hydrate totally dissociates in HBS. This easily causes the wellbore instability accordingly. In the first two hours after the formation is drilled, the regions of hydrate dissociation and wellbore instability extend quickly. Then, with the soaking time of drilling fluid increasing, the regions enlarge little. Choosing the low temperature drilling fluid and increasing the drilling mud pressure appropriately can benefit the wellbore stability of HBS. The established model turns out to be an efficient tool in numerical studies of the hydrate dissociation behavior and wellbore stability of HBS.     

典型连接结构螺栓的附加弯矩形成机理与承载能力研究及结构优化设计

针对典型连接结构中, 高强螺栓在受拉工况下因产生附加弯矩而极大削弱其承载能力的问题, 开展了螺栓附加弯矩产生的机理研究, 并提出了一种有效降低螺栓附加弯矩的结构优化设计方法. 首先, 建立典型连接结构的等效力学模型, 推导出螺栓附加弯矩的解析解, 进一步开展数值仿真分析, 验证了解析方法的正确性. 考虑螺栓同时承受拉弯耦合载荷工况, 引入梁塑性弯曲理论, 研究了不同拉弯组合下的螺栓截面各类应力分布的交互关系, 并给出了考虑轴力影响的弯矩塑性折减系数. 基于最大应力破坏准则, 开展了考虑附加弯矩和弯曲塑性影响的螺栓载荷失效判据研究, 该判据更加具有工程应用价值. 从机理出发, 开展典型连接结构优化设计以降低螺栓的附加弯矩进而提高其承载能力, 进一步采用解析方法, 阐述了铰支球头的工作机理. 采用数值仿真方法, 开展了螺栓附加弯矩灵敏度分析, 验证了优化设计方法的有效性. 进一步开展试验研究, 获得不同连接状态下螺栓的附加弯矩, 验证了优化设计方法的正确性和可行性. 该方法能够极大降低高强螺栓的附加弯矩, 最大程度发挥螺栓的承载能力, 提高连接结构的可靠性.      

带接头在役混凝土电杆受力性能试验研究

为了揭示在役混凝土电杆连接接头的破坏机理和承载性能,进行了6根两类不同杆长、跨中带钢圈接头的混凝土电杆的抗弯承载力试验,通过试验观察了各试件的受力全过程和破坏形态,获取了弯矩-挠度曲线、裂缝宽度-弯矩曲线、刚度退化规律曲线以及极限弯矩等重要指标.对比分析了两种杆长试件的承载力和刚度变化规律,并通过试验拟合,提出了相关刚度退化规律公式.研究结果表明,试件所具有的破坏形态大多为混凝土拉裂、接头钢圈不屈服,破坏具有明显的脆性;截面的平均应变符合平截面假定;杆长较短试件的极限承载力显著大于较长杆长的试件;裂缝宽度-弯矩曲线大致经历了4个阶段:即未开裂阶段、逐渐增长阶段、稳定发展阶段、快速开裂阶段;杆长较短试件的初始弹性刚度以及弹塑性刚度都比较长杆长试件的大;电杆连接接头的相对刚域范围对杆身受力性能具有极大的影响.     

Rotordynamic model for electromagnetic excitation caused by an eccentric and angular rotor core in an induction motor

The paper shows a rotordynamic model for electromagnetic excitation caused by an eccentric and angular rotor core in an induction motor. It is shown that an eccentric rotor core leads to an electromagnetic force and an angular rotor core to an electromagnetic moment, which both force the rotor to vibrate. For these two kinds of magnetic unbalance, a rotordynamic model was developed considering the influence of the oil film stiffness and damping of the sleeve bearings, the stiffness of the end-shields and bearing housings, the stiffness of the rotor, the electromagnetic stiffness—radial and angular electromagnetic stiffness—the mass moment of inertia and the gyroscopic effect of the rotor. With this model, the absolute orbits of the shaft centre, the shaft journals and the bearing housings can be calculated, as well as the relative orbits between the shaft journals and the bearing housings. Additionally, the bearing housing velocities can also be computed. In addition to the mathematical derivation of the model, also a numerical example is shown for clarification. The aim of the paper is, on the one hand, to show the mathematical coherences—based on an analytical model—between rotordynamics and the electromagnetics for an induction motor with an eccentric and angular rotor core and, on the other hand, to derive a calculation method for evaluating the vibration sensitivity regarding these two different kinds of magnetic unbalance.     

Deformation analysis of infinite-strip bearings of laminated elastic material interleaving with tension-only reinforcements

Bonding with fiber reinforcements can increase the stiffness of elastic layers only when the elastic layer is compressed. Fiber loses its rigidity when it is not stretched. The procedure to include this ‘tension-only’ nonlinearity in the deformation analysis of the fiber-reinforced bearing is developed. In the elastic layers bonded with tension-only reinforcements, the responses to the compression force and the bending moment are coupled unless the reinforcements are entirely in tension. The coupled relation, which is not linear, depends on the length of the tension zone in the reinforcement. Increasing the compression force on the bearings will extend the tension zone in the reinforcements and enhance the stiffness of the bearing, but the compression force may add more bending moment to the bearings and increase the lateral deformation. The vertical buckling load of the bearings with tension-only reinforcements varies with the lateral force and is smaller than the buckling load of the bearings with linear reinforcements.     

中墩斜置对连续箱梁弯扭性能的影响

为了揭示中墩斜支承对连续箱梁力学性能的影响,本文考虑约束扭转和竖向挠曲耦合作用,建立了斜支承连续箱梁的力法方程,并获得了内力和变形的解析式.选取斜支承两跨连续箱梁为数值算例,分别计算了竖向对称和偏心均布荷载作用下的内力和变形,并用ANSYS软件计算了控制截面的弯矩.计算结果表明,本文方法计算的弯矩与ANSYS计算值吻合...     

圆钢管型钢再生混凝土短柱偏压力学性能退化研究

为研究圆钢管型钢再生混凝土短柱在偏压荷载作用下的性能退化,进行了10个短柱试件偏心受压试验。主要分析了再生粗骨料取代率、圆钢管径厚比、型钢配钢率和偏心距等参数对试件的荷载-挠度曲线、变形能力、刚度退化及耗能能力的影响。结果表明:该短柱具有较高的承载力和抗弯刚度;与普通混凝土相比,取代率的增加对短柱的承载力和变形是不利的,试件的挠度变形随着取代率的增加而增大,再生粗骨料取代率为100%的试件偏压承载力降低了8.98%,试件刚度退化速率随着取代率的增加而加快,耗能能力逐渐降低;试件的挠度变形随着圆钢管径厚比的增大或型钢配钢率的减小而增大;试件刚度退化速率随圆钢管壁厚、型钢配钢率的增加逐渐变慢,耗能能力增强;另外,偏心距对试件偏压性能影响较为显著,随着偏心距的增大,试件刚度退化和承载力降低更加明显。     

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提出该结构体系在水平载荷作用下,可视为夹层复合构件,并提出了计算模型. 根据 变形协调原理对其进行受力分析,建立了多层多跨密肋复合墙体结构横向位移及各组成构件承 受剪力和弯矩表达式. 通过计算分析指出,各组件剪力分配只与各组件刚度及宽度比有关, 内墙板上部分配剪力大于下部,边框反之;各组件局部弯矩系数随$\lambda $的增加而减小,其整体工作性能增强,当$\lambda $增加到一定数值时,其工作性能与悬壁构件类似.