受压油管屈曲变形与内外层杆管接触分析

针对机械采油工程中杆管偏磨问题, 考虑直井内受压油管屈曲变形与套管、 抽油杆的双层接触, 以及油管和抽油杆的变截面结构和环空间隙, 采用有限元结构稳定性分 析方法对受压油管进行失稳计算, 将求得的多阶失稳波形叠加值作为油管柱的初始位移, 再 采用大位移和接触非线性分析方法模拟受压油管屈曲变形, 以及与套管和抽油杆间的接触摩 擦, 为套管内受压油管屈曲变形分析提供了一种计算方法.     

跨内支撑杆及阶梯杆屈曲的一种解析法分析

针对跨内含支撑的杆和变截面阶梯杆的弹性屈曲问题,提出一种分段作屈曲分析再叠加重组的分析方法．首先在杆两端引入横向和旋转弹簧,用以模拟弹性边界条件．其次建立两端弹性约束杆屈曲方程的通用形式,并通过屈曲方程求得几种边界约束杆端部弹性刚度因子的解析表达式．最后,建立拆分杆段连接处的平衡方程和协调条件,综合杆段的屈曲方程和节点的补充刚度条件得到整个杆件的屈曲方程,从而求得临界力．本文还提出一种基于泰勒展开求解屈曲特征方程近似根的方法．算例中将本方法所得结果与既有文献和有限元软件计算结果对比,验证本方法的适用性和准确度．所提方法属于解析方法,得到简洁、严密和易用的解析公式,可为多跨结构和变截面杆件的屈曲分析提供新参考．     

基于连续支承压杆模型的轴心受压柱局部屈曲分析

轴心受压柱局部屈曲分析,一般根据薄板理论建立板件屈曲微分方程,构造满足边界条件的位移场,获得屈曲临界载荷解析解,不仅推导繁琐且不便直观地揭示受压板件屈曲特征及控制参数。本文建立单位宽度受压板条的连续支承压杆模型,将二维板件屈曲问题转化为学生较熟悉的一维压杆屈曲分析。基于连续支承压杆临界载荷的解析解,方便识别典型非加载边约束下板件屈曲半波数。本文旨在深化理解受压板件屈曲性能。

     

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.     

伪弹性形状记忆合金杆屈曲行为研究

对不同长细比伪弹性TiNi合金矩形截面杆进行了压缩试验,通过应变片和热电偶来捕捉杆中间截面表层材料的相变演化,采用热电偶测量杆中间截面受拉侧的温度,分析了长细比和材料相变对杆件承载能力的影响。结果表明:加载和卸载阶段,两端夹支TiNi杆的载荷-应变曲线随着长细比的改变发生明显的变化,对于短杆,相变会提高其承载能力;对于长杆,其极限承载能力取决于长细比,相变的影响集中在后屈曲阶段;对于低长细比杆件,加载阶段温度持续升高,而高长细比构件,应变达到最大值时温度已开始下降,所有杆件在卸载结束时的温度均低于加载初始时刻。     

弹性直杆动态屈曲与后屈曲的实验研究

对传统的霍普金森压杆装置（ＳＨＰＢ）进行改进,用于研究弹性直杆的动态屈曲与后屈曲,并且分析了影响实验精度的因素。实验结果表明,在轴向应力波作用下弹性直杆的动态屈曲临界载荷明显高于静态的,并且在屈曲发生后,在直杆中有弯曲波产生,其波速大约为弹性剪切波的波速。     

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。     

均匀受压矩形管的屈曲后板组效应研究

本文根据势能驻值原理,建立了均匀受压矩形管的大挠度弹性屈曲理论,用于分析屈曲后相邻板件间的相互约束作用,即屈曲后板组效应。该方法通过引入拉格朗日乘子,使系统总势能取驻值的同时,形函数能满足一系列基本的,但非完备的边界条件;在此基础上采用增量法将非线性方程组线性化,从而确定给定荷载下矩形管的受力状态及变形。由于系统总势能是以解析式的形式给出,且仅需取有限的级数项就可达到满意的精度,故该半解析法具有计算效率高的特点。目前许多国家的钢结构设计规范中,在计算受压板件的有效宽度时,常采用板组约束系数来考虑板组效应。由于有效宽度法本身考虑了板的屈曲后强度,而约束系数多数却是建立在小挠度弹性屈曲理论上的,故有必要分析板件的屈曲后板组效应。本文详细讨论了矩形管的屈曲后板组效应,并与小挠度理论给出的计算结果进行比较,得出了均匀受压矩形管屈曲后板组效应减弱的结论。     

细长压杆屈曲实验平台设计及其在实验教学中的应用

实验教学是培养工科大学生实践和创新能力的重要手段,如何在有限的实验条件下开展丰富的教学实验、关联更多的理论知识点是力学实验亟需解决的问题。本文以材料力学中常见的压杆屈曲问题为例,构建了压杆屈曲实验平台,主要包括压杆屈曲实验和力学仿真两个模块,通过压杆屈曲实验案例展示了该平台用于开展教学实验的过程。结果表明,该实验装置可操作性强,学生能够直观地观察到压杆由稳定到正弦屈曲再到螺旋屈曲的全过程,同时能够测试压杆径向位移、应变等多个参数,仿真实验能够在不受时空、设备限制下更直观地实现实验过程的再现和拓展。本实验具有一定的趣味性和专业性,利用教学实验能够激发学生对材料力学的学习兴趣,加强学生对多个关联知识的理解,也能够锻炼学生的动手实践能力。

     

含摩擦与碰撞平面多刚体系统动力学线性互补算法

基于接触力学理论和线性互补问题的算法, 给出了一种含接触、碰撞以及库伦干摩擦, 同时具有理想定常约束(铰链约束) 和非定常约束(驱动约束) 的平面多刚体系统动力学的建模与数值计算方法. 将系统中的每个物体视为刚体, 但考虑物体接触点的局部变形, 将物体间的法向接触力表示成嵌入量与嵌入速度的非线性函数,其切向摩擦力采用库伦干摩擦模型. 利用摩擦余量和接触点的切向加速度等概念, 给出了摩擦定律的互补关系式; 并利用事件驱动法, 将接触点的黏滞-滑移状态切换的判断及黏滞状态下摩擦力的计算问题转化成线性互补问题的求解. 利用第一类拉格朗日方程和鲍姆加藤约束稳定化方法建立了系统的动力学方程, 由此可降低约束的漂移, 并可求解该系统的运动、法向接触力和切向摩擦力, 还可以求解理想铰链约束力和驱动约束力. 最后以一个类似夯机的平面多刚体系统为例, 分析了其动力学特性, 并说明了相关算法的有效性.      

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL INVESTIGATION OF THE FIRST FOLD CREATION IN THIN WALLED COLUMNS

In this paper, a theoretical formula is presented to predict the instantaneous folding force of the first fold creation in square and rectangular columns under axial loading.The rectangular column is a small and single model of honeycombs with square or rectangular cells.Calculations are based on the analysis of the Basic Folding Mechanism （BFM）.For this purpose, sum of the dissipated energy rate under bending around horizontal and inclined hinge lines and the dissipated energy rate under extensional deformations was equal to the work rate of the external force on the structure.The final formula obtained in this research, reasonably predicts the instantaneous folding force of single-cell square and rectangular honeycombs instead of the average value.Finally, according to the calculated theoretical relation, the instantaneous folding force of the first fold creation in a square column was sketched versus folding distance and compared to the experimental results, which showed a good correlation.     

AN EXPERIMENTAL METHOD BASED ON ENERGY RELEASE RATE OF INTERFACIAL FRACTURE

基于对断裂力学常用实验方法的研究,结合界面断裂问题的特殊性,以断裂力学为理论基础,通过能量释放率建立了界面断裂测量的实验分析方法,并且利用文献中的实验数据进行了验证,取得了良好的一致性.该方法通过测量试验件的载荷位移关系,利用裂纹扩展过程中的能量变化关系得到该裂纹长度下的临界能量释放率;在此基础上,根据试件的阻抗能量曲线预测结构的最大承载能力.该方法以能量释放率为理论基础,为界面裂纹的强度分析提供了合理的手段,基于能量角度建立的实验分析方法也具有良好的实用性和适用性.     

液压作用下套管柱临界屈曲载荷计算的能量法

推导了内外液压作用下套管柱微弯时的能量平衡公式,并计算了其屈曲临界载荷计算公式。得到的结果低于目前已发表的结果。内外液压对套管稳定性的影响相当于在套管底端作用一个附加的轴向力和一个沿轴线均布的线载荷。对含有内压的两端封堵的细长管柱,内压对临界屈曲载荷没有影响。结果可供油井设计及作业参考。     

RESEARCH ON MODELING AND NUMERICAL METHOD OF FREE STANDING BODY ON PLANAR RIGID MULTIBODY DYNAMICS

采用非光滑多体系统动力学的方法研究浮放物体与基础平台组成的多体系统,建立其非光滑接触的动力学方程与数值算法.浮放物体由主体部分和支撑腿组成,其间通过含黏弹性阻力偶的转动铰连接.支撑腿与基础平台间的接触力简化为接触点的法向接触力和摩擦力,采用扩展的赫兹接触力模型描述接触点的法向接触力,采用库伦干摩擦模型描述其摩擦力.采用笛卡尔坐标系下的位形坐标作为系统的广义坐标.首先,将基础平台运动看作非定常约束,用第一类拉格朗日方程建立系统的动力学方程,并采用鲍姆加藤约束稳定化的方法解决违约问题.随后给出基于事件驱动法和线性互补方法的数值算法.当相对切向速度为零时,构造静滑动摩擦力的正负余量和正、负向加速度的互补关系,从而将接触点黏滞——滑移切换的判断以及静滑动摩擦力的计算转化为线性互补问题进行求解,并采用Lemke算法求解线性互补问题.最后,通过数值仿真选择合适的步长;通过仿真结果说明浮放物体运动中存在的黏滞-滑移切换现象以及基础平台运动、质心位置对浮放物体运动的影响.     

原子力显微镜轻敲模式下由液桥引起的能量耗散

轻敲模式下的相位像反映的是探针样品间接触分离过程的能量耗散, 大气环境下的能量耗散主要由液桥引起. 因此为理解成像机理, 本文分析轻敲模式下液桥的形成和破碎的动力学过程, 得到此种模式下的耗散能.     

钻柱力学中接触力计算方法研究

钻柱在井底的接触力计算是一个复杂的非线性问题. 选取较为精确的三维钻柱力学模型（简称ABIS）作为研究对象,力图从复杂的求解过程中探索出更直观的方法. 从钻柱某个节点的接触力与位移关系,推广到该节点接触力与钻柱其他所有节点的位移均存在同样的关系,进而建立了整根钻柱位移与作用在钻柱上的所有接触力的更直观的柔度关系式. 据此提出新的接触力计算方法,算例结果表明该方法显著提高迭代速度.     

"2018流固耦合力学在船舶与海洋新能源中的应用研究领域科学家论坛"学术综述

简要介绍了 2018年1月召开的"2018流固耦合力学在船舶与海洋新能源中的应用研究领域科学家论坛"的基本情况,对邀请报告进行了分专题学 术综述,对专家们在自由发言和集中研讨中针对流固耦合力学在船舶与海洋新能源领域的应用提出的前瞻性关键科学问题及未来研究方 向的观点进行了归纳总结.      

大气运动非线性稳定性研究中的能量-Casimir方法

介绍使用能量－Ｃａｓｉｍｉｒ方法（Ａｒｎｏｌ＇ｄ方法）研究大气与海洋运动非线性稳定性所取得的若干新进展,建立了适用于有限振幅、任意空间结构扰动的非线性稳定性判据．用初始状态给出了扰动场在任意时刻的上界与下界估计,提供了关于扰动变化性态的有关信息．对该领域理论研究与应用的深化与发展问题也作了讨论．