套管外压挤毁强度分析与计算

在对大量的套管全尺寸挤毁试验结果分析的基础上，提出套管外压失稳机理：实际工程中的套管截面不是理想圆，在外压作用下的非圆套管圆周方向上环向应力分布不均匀，有附加弯矩效应；随外压增加，在最大压缩环向应力处达到屈服；当屈服逸到一定程度时，材料由于强度承载力不足而失效，导致套管发生失稳挤毁。基于上述套管强度挤毁准则，分析了理想弹塑性套管在轴向载荷作用下的抗挤强度计算方法，得到较保守的套管挤毁压力计算公式。与试验结果对比表明：导出的计算公式偏差较小，计算精度满足工程要求，失稳强度准则是适用的。     

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.     

直剪实验剪切面积的修正及误差分析

针对现行直剪实验没有考虑剪切面积不断减小对实验结果的影响,本文从理论上推导了计算有效剪切面积的公式,然后通过实验并采用最小二乘法对数据进行处理.结果表明,土体的抗剪强度误差随着环刀面积的增大而减小,当环刀面积为30 cm~2时,随着剪切位移的增大,土体的抗剪强度误差增大;当剪切位移达到4 mm和6 mm时,抗剪强度误差可达8.2%和12.38%.现行方法测得的黏聚力和内摩擦角均比真实值小,低估了土体的抗剪强度,因而需要修正.     

均匀内压作用下双模量简支扁壳的非线性弯曲

双模量扁壳在均匀内压作用下,会形成拉压弹性模量不同的各向同性拉伸区和压缩区,把双模量扁壳看成两种材料组成的层合扁壳,采用板壳理论求得了双模量扁壳在均匀内压作用下中性面位置;推导出了双模量扁壳挠度与均匀内压的关系式,并把该方法的计算结果与有限元方法计算结果进行了比较,验证了该计算方法的可靠性。算例分析表明,当拉压弹性模量相差较大时,将双模量材料当作单模量材料计算,其误差绝对值最小值为24.4%,误差绝对值最大值为35.38%。因此,均匀内压作用下双模量简支扁壳的大挠度弯曲计算必须考虑双模量材料拉压弹性模量不同的特性。     

扁挤压筒的挤压力及应力场的光弹性分析

扁挤压筒是挤压大型铝壁板的重要工具，也是关键技术之一。与圆挤压筒相比，由于扁挤压筒型腔的线型特殊，理论计算相当困难，很难有精确的理论解。同时，非中心对称的型腔使挤压力的分布也不均匀，使得以均匀分布挤压力作为边界条件的数值计算产生了相应的误差，也使理论计算更加困难。本文制作了1：18的环氧树脂扁挤压筒整体模型，用低弹模的环氧树脂材料作挤压材料模拟挤压工况并将应力加以“冻结”，然后通过光弹性实验研究分析了挤压筒挤压时挤压力的分布特点以及筒体内部的应力场情况。结果分析得出：挤压力沿型腔高度大体上是均匀分布的，但沿型腔周向有着明显的变化；并在型腔的长轴位置出现应力集中。该实验结果为扁挤压筒的强度计算及结构设计提供了参考依据，也与数值分析解起到相互佐证的作用。如果把扁挤压筒的受力模型简化成中间带椭圆孔的无限大平面的弹性力学模型，理论最大应力值与实验结果比较接近。     

高锁螺栓连接件动态拉伸响应与失效机理

飞机坠撞过程中结构的变形模式和吸能对乘员保护具有重要意义，而连接结构的载荷传递和失效形式是影响飞机结构变形的重要因素之一。为了获取航空高锁螺栓连接件在坠撞载荷下的动态响应和失效机理，基于抗剪型平头高锁螺栓设计了2种材料（2024-T3和7050-T7451）的单钉单搭接连接件，利用高速液压伺服材料试验机进行4种速度（0.01、0.10、1.00和3.00 m/s）下的拉伸测试，得到连接件的动态响应、极限载荷、能量吸收和失效模式随速度的变化规律，并分析了连接件的失效机理。结果表明，连接件的失效模式受母材和高锁螺栓/螺母材料强度影响较大，而受加载速度影响较小；当速度从0.01 m/s增加到3.00 m/s时，2024-T3连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了2.17%和34.43%，7050-T7451连接件的极限载荷和能量吸收分别增加了5.53%和6.58%。     

考虑弯曲变形的端盖法兰动态密封设计方法

端盖法兰的螺栓预紧力选择是密封结构设计的重要问题。本文中通过估算端盖法兰弯曲振动的等效刚度和等效质量，建立了考虑端盖弯曲振动的法兰结构响应双弹簧分析模型，获得了与实验数据一致性较好的结构响应分析结果。总结了端盖轴向振动、弯曲振动引起的密封面位移随预紧力、端盖厚度的变化规律；并发现随预紧力增加，密封面间隙逐渐减小并趋于一个极值；端盖弯曲变形是影响该极值大小的主要因素。     

变刚度梁弯曲解析解在桥面板中的应用

针对新型连续窄幅钢箱梁-混凝土组合桥梁,研究了该桥型桥梁的桥面板拉应力控制方法与措施．将该桥型组合桥梁等效为可变刚度的Euler梁,给出任意横向荷载作用下变刚度梁的静力弯曲解析通解,并得到三跨连续阶梯型变刚度梁变形及其内力分布特征．在此基础上,以三跨连续窄幅钢箱梁-混凝土组合桥梁为研究对象,考虑下部钢箱梁与上部混凝土桥面板完全剪力连接,通过改变负弯矩区钢箱梁壁厚、内部充填混凝土的强度、长度与高度等参数,分析得到可有效控制桥面板拉应力的关键因素．结果显示：在负弯矩区段内的钢箱梁内部充填混凝土对控制该区域混凝土桥面板拉应力效果明显,但混凝土强度影响较弱．混凝土桥面板开裂区域随钢箱梁中充填混凝土长度的增加而减少,但桥面板顶部拉应力会随混凝土充填高度的增加呈现先减小后增大的趋势,在充填高度为箱梁内部净高的20 %~30 %左右时效果较为显著,此时经济效益最佳．     

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．     

考虑横向剪切变形的含裂纹扁壳应力强度因子的渐近分析

本文采用奇异摄动的渐近分析法,将考虑横向剪切变形的十阶扁壳方程组的定解问题,化归为互不耦合的平面应力问题、平板弯曲问题和存在于裂纹两侧的Reissner边界效应问题的交叉迭代求解。当壳体的几何参数变化时,对相应应力场的变化,给出了量级分析,本文利用路径无关的积分,求得了含裂纹扁壳Ⅰ型应力强度因子的“0级”和“一级”近似的解析表达式,并针对板、球壳、柱壳三种常见的情形,将本文的结果与已有的采用计算机所求得的数值结果进行了比较,说明本文解的精度可以满足工程分析的要求。 本文的方法可用于夹层壳和多层壳体的断裂分析。     

Approximate estimation of hardening-softening behaviour of circular pipes subjected to pure bending

An approximate method for describing the plastic hardeningsoftening behaviour of circular pipes subjected to pure bending is presented. Theoretical estimation based on the uniform ovalization model and local collapse model proposed in the paper is incorporated to give several simple formulations with reasonable accuracy for determining the relationship between bending moment (M) and curvature (k) in the purely bended pipes. Attention is focused on the critical curvature associated with maximum resistant moment and the maximum change in the original diameter before the end of uniform ovalization stage as well as the local collapse behaviour. Some comparisons between analytical results and experimental results are made in order to examine the theory.     

Bending instabilities of elastic tubes

The present paper examines instabilities of long thin elastic tubes. Both initially straight and initially bent tubes are analyzed under in-plane bending. Tube response, a combination of ovalization instability and bifurcation instability (buckling), is investigated using a nonlinear finite element (FE) technique, which employs polynomial functions in the longitudinal tube direction and trigonometric functions to describe cross-sectional deformation. It is demonstrated that the interaction between the two instability modes depends on the value and the sign of the initial tube curvature. The ovalization of initially bent tubes is examined in detail and, in particular, the case of opening moments. Furthermore, the paper emphasizes on bifurcation instability. It is shown that buckling may occur prior to or beyond the ovalization limit point, depending on the value of the initial curvature. Using the nonlinear FE formulation, the location of bifurcation on the primary path is detected, post-buckling equilibrium paths are traced, and the corresponding wavelengths of the buckled configurations are calculated. Moreover, results over a wide range of initial curvature values are presented, extending the findings of previous works. Finally, several analytical approaches, introduced in previous research works, are also employed to estimate the moments causing ovalization and bifurcation instability. These approaches are based on nonlinear flexible shell theory or simplified ring analysis. The efficiency and accuracy of those analytical methods with respect to the nonlinear FE formulation are examined.     

基于虚功原理建立套管外挤力学模型

为了准确地描述侧向载荷作用下套管发生挤毁变形,假设在发生塑性变形时套管的受力变形区形状为对称的两个弧形,基于虚功原理建立侧向载荷作用下的套管损坏力学平衡关系,引入菲涅耳积分推导出套管损坏力学模型.并结合大庆油田工程实际进行了套管挤毁实验,得出新公式的平均相对误差远远小于API公式的平均相对误差,从能量角度出发,为研究在外挤载荷下套管挤毁变形提供新的研究方法,为以后研究相关设计提供参考.     

Liner wrinkling and collapse of bi-material pipe under bending

Lining internally a carbon steel pipe with a thin layer of corrosion resistant material is an economical method for protecting offshore tubulars from the corrosive ingredients of hydrocarbons. In applications involving severe plastic bending, such as in the reeling installation process, the liner can detach from the outer pipe and develop large amplitude buckles that compromise the flow. This paper outlines a numerical framework for establishing the extent to which lined pipe can be bent before liner collapse. The modeling starts with the simulation of the inflation process through which the two tubes develop interference contact pressure. Bending the composite structure leads to differential ovalization and eventually separation of part of the liner from the outer pipe. The unsupported strip of the liner on the compressed side first wrinkles and at higher curvature buckles and collapses in a diamond shaped mode. The sensitivity of the collapse curvature to the various parameters of the problem is studied, and amongst other findings the onset of collapse is shown to be very sensitive to small geometric imperfections in the liner. It is also demonstrated that bending the pipe under modest amounts of internal pressure can delay liner collapse to curvatures that make it reelable.     

乳化炸药铁板凹槽弯曲装药的实验研究

用铁板凹槽装填乳化炸药,通过离子探针法测得不同装药截面积和不同装药曲率条件下乳化炸药 爆炸传播速度,分析弯曲装药条件下装药直径和装药曲率对爆轰波在乳化炸药中传播速度的影响。结果表 明,爆轰波传播速度随着装药直径的二次方和曲率半径的减小而线性衰减,当装药直径或曲率半径小到某一 临界值时其爆轰反应中止。通过大量实验数据计算得到乳化炸药特定曲率半径和装药直径条件下的爆轰波 传播速度计算的经验公式。     

A Curvature-ovalization measurement apparatus for circular tubes under cyclic bending

In this paper, the authors report the design and construction of a new measurement apparatus, along with the result of its testing. This apparatus can be placed at the midspan of the circular tube specimen and is suitable for simultaneous experimental determinations of the tube curvature and ovalization of the tube cross section. For testing the newly designed apparatus, the tube specimen of AISI 304 stainless steel was bent cyclically. It has been shown that the actual curvature and ovalization of the circular tube subjected to bending can be directly measured by the apparatus.     

圆截面杆在曲线井中的屈曲问题

本文研究了线弹性的圆截面压杆在刚性井壁的曲线井中的屈曲问题。压杆两端为铰支，杆和井壁之间的摩擦力忽略不计，失稳前假设压杆位于曲线井的较低侧。分析了压杆屈曲时的几何变形条件，导出了压杆的曲率，变形能和各项外力势的表达式，用最小势能原理导出压杆失稳的微分方程和边界条件。引入梁单元，用有限单元法求得了压杆失稳时的临界压力和杆轴线状态。结果显示，临界压力随着压杆自重和曲线井半径的增加而增加。自重为零时，杆轴线为半个正弦曲线；自重不为零时，杆轴线为振荡的曲线，且振荡主要集中在压杆顶部。