油气井密封结构的变形与失效行为研究进展

在今后相当长一个时期,石油和天然气依然是人类的主要能源.油气井密封是油气开采中最重要的作业之一,在水平钻井、水力压裂等最新的油气开采技术中发挥着重要的作用,促进了页岩气等非常规油气开采的发展.密封质量会直接影响油气井的安全和生产效率,密封元件的失效可造成严重的环境污染和生命财产损失.因此,深入理解密封元件的失效行为,对于油气井安全评估具有重要意义.水泥和可溶胀高弹体密封是两种最主要的密封方式.水泥密封已有百余年历史,溶胀式高弹体密封则是一种相对较新的密封技术.本文介绍这两种油气井密封结构变形与失效行为的国内外最新研究进展.首先,介绍固井水泥环固化过程中的应力演化、生产作业导致的应力、水泥环的失效模式和失效判据方面的研究进展;然后,介绍溶胀式高弹体封隔器的基本原理、力学理论、测试方法、失效模式及失稳等方面的研究进展.      

典型密封元件的失效分析与失效过程研究

飞机整体油箱结构的密封性对飞机安全性和续航能力有很大影响,所以密封胶失效分析和失效过程研究就显得相当重要．为了研究密封胶的失效,根据密封胶的受力特点,本文设计了典型元件的密封试验（平板型和T型）,通过试验得到了这两种结构的失效载荷和最大载荷．同时,利用有限元模拟软件ABAQUS对试验进行了模拟计算,使用cohesive模块实现对密封胶层的模拟．通过观察胶层失效过程,得到了胶层失效后的破坏路径,找到了容易发生泄漏的位置,并给出了失效载荷与最大载荷的关系．通过对比试验结果和模拟计算结果,验证了有限元模拟分析的可靠性,并对结果进行了讨论．     

高压干气密封扭转变形结构因素影响分析

基于圆环理论以及气体润滑理论,以复杂截面机械密封环为研究对象,建立密封扭转变形无量纲分析模型;提出了干气密封端面膜压引起端面扭转变形的计算方法,并基于该法,采用多因素优化法研究密封环结构和辅助密封圈安放位置等因素对其扭转变形的影响规律,以期使结构影响规律化.结果表明:采用解析法与集中法计算膜压扭转变形是可行的;各结构参数对扭转变形的影响规律及程度不同;扭转角随台阶半径比π2、长度比π3、O型圈位置的长度比π5的增大而增大,随宽度比π4、内径ri的增大而减少;扭转角在π4≤3.5时随长宽比π1的增大而减小,当π43.5时,随π1的增大先增大后减小,在π1=2~3间形成最大值;π1值相比π2值,对扭转角影响不大;相比π1、π2、π3和π4的影响,ri和π5影响较小,相比密封结构,O型圈位置影响较小.     

非结构网格变形方法研究进展

动网格技术中的非结构网格变形是计算流体力学和计算固体力学的关键技术之一.本文在总结现有非结构网格变形方法的基础上, 提出了一种网格变形方法的详细分类, 将现有方法归类为虚拟结构法、偏微分方程法和代数法. 本文综述了各类方法的最新研究进展, 分析并比较了各类方法的特性, 评述了当前网格变形研究的几个主要方向:复杂结构外形在不规则变形下的动网格生成、三维动网格生成、并行动网格生成和动节点技术. 最后简要地探讨了该领域的发展趋势.      

高熵合金冲击变形行为研究进展

高熵合金作为一种多主元合金,突破了传统合金单主元的设计思想,体现出不同于传统合金的优异性能,特别在高温、高压、高应变率等极端环境中有着良好的应用前景。从微观、细观与宏观尺度分析高熵合金的冲击变形特性对于其工程应用具有重要的指导作用,主要涉及元素效应、细观结构以及高温高应变率条件对高熵合金冲击损伤演化、微观结构变化和冲击变形演化过程的影响机制。元素效应主要讨论了原子半径差异较大的金属与非金属元素对高熵合金冲击变形行为的影响;根据细观结构不同,将高熵合金分为单相与多相结构,单相高熵合金为塑性较好的面心立方（face centered cubic,FCC）结构、强度较高的体心立方（body centered cubic,BCC）与密排六方（hexagonal close-packed,HCP）结构。多相高熵合金的细观结构为这三种单相结构或者与其他相的组合,多相高熵合金的协同变形能够使其获得更为优异的综合力学性能。高温与高应变率作为外部条件对高熵合金的影响与其他金属相似,高温促进材料软化而高应变率促进材料硬化,部分高熵合金在高温下具有更优异的抗变形能力。针对高熵合金的冲击特性,总结了目前高熵合金在国防工程冲击领域的应用,归纳了高熵合金冲击变形行为研究存在的问题,并进一步对高熵合金在极端条件下的应用进行了展望。     

类固体非晶态材料的变形与失效

自20世纪70年代以来, 类固体非晶态材料变形与失效的理论模型相继出现, 这些模型基于应力驱动分子重排从而在局部流动缺陷处发生剪切转变这一物理图像. 该图像是现代剪切转变区理论的基础, 也是本综述的焦点. 我们将首先概述该理论框架并给出一些应用案例, 特别是块体金属玻璃应力−应变测量结果的阐释, 剪切带数值模拟分析和剪...     

关于结构塑性动力失效若干问题的研究进展

重点分析常见工程结构元件（如梁、板、圆柱壳、圆环和夹层及复合材料结构）在强动短时载荷下塑性动力失效的研究方法、进展及尚待解决的问题，这些结构元件的失效模式及分析方法具有普遍意义，建议借用无量纲数──损伤数（ｄａｍａｇｅｎｕｍｂｅｒ）──来统一表征结构塑性动力失效的判据，最后以海洋平台和桁架为例简单介绍工程中复杂结构动力失效分析的情况。     

大型结构变形监测摄像测量研究进展

桥梁、隧道、舰船等大型结构变形的全场、高精度、动态测量,是其动态性能实验和质量监测的基本要求。摄像测量具有非接触、高精度、可测点多、实时动态测量等特点,在大型结构的变形监测方面有独特的优势。本文介绍了作者所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形监测方面的研究新成果和典型应用,包括提出位移传递像机串联网络摄像测量方法与技术,用于自动监测高速铁路、隧道等大型结构的路基沉降;研制天线基座变形摄像测量系统,实时、连续、长时间测量我国远望号测量船的天线基座变形等。     

高熵合金的力学性能及变形行为研究进展

高熵合金是近年来提出的一种新的合金设计理念,打破了一般合金中以1种或2种元素为主,辅以极少量其他元素来改善合金性能的传统思想,由多种元素以等原子或近似等原子比混合后形成具有独特原子结构特征的单一固溶体合金.高熵合金的多主元特性使其在变形过程中表现出多重机制(包括位错机制、形变孪生、相变等)的协同,因而高熵合金已经展示了优异的力学性能,如高强、高硬、高塑性、抗高温软化、抗辐照、耐磨等,被认为是最具有应用潜力的新型高性能金属结构材料,已经成为国际固体力学和材料科学领域研究的热点.本文首先介绍了高熵合金独特的结构特征,即具有短程有序结构和严重的晶格畸变;随后对近年来针对不同类型高熵合金(包括具有面心立方相、体心立方相、密排六方相、多相以及亚稳态高熵合金)力学性能、变形行为方面的研究成果,特别是强韧化机制以及相关的原子尺度模拟,进行了较为系统的综述;最后强调了高熵合金未来研究中所面临的一些主要问题和挑战,并对其研究进行了展望.     

高熵合金的力学性能及变形行为研究进展

高熵合金是近年来提出的一种新的合金设计理念,打破了一般合金中以1种或2种元素为主,辅以极少量其他元素来改善合金性能的传统思想,由多种元素以等原子或近似等原子比混合后形成具有独特原子结构特征的单一固溶体合金.高熵合金的多主元特性使其在变形过程中表现出多重机制(包括位错机制、形变孪生、相变等)的协同,因而高熵合金已经展示了优异的力学性能,如高强、高硬、高塑性、抗高温软化、抗辐照、耐磨等,被认为是最具有应用潜力的新型高性能金属结构材料,已经成为国际固体力学和材料科学领域研究的热点.本文首先介绍了高熵合金独特的结构特征,即具有短程有序结构和严重的晶格畸变;随后对近年来针对不同类型高熵合金(包括具有面心立方相、体心立方相、密排六方相、多相以及亚稳态高熵合金)力学性能、变形行为方面的研究成果,特别是强韧化机制以及相关的原子尺度模拟,进行了较为系统的综述;最后强调了高熵合金未来研究中所面临的一些主要问题和挑战,并对其研究进行了展望.     

不同速度下负泊松比弧形结构的变形行为

高孔隙率的负泊松比蜂窝结构在能量吸收的过程中往往伴随剧烈的应力波动和显著的峰值应力,极易造成蜂窝结构的局部损坏,影响能量的连续吸收。为了减少局部破坏的产生,基于传统内凹六边形蜂窝胞元设计了一种反对称的弧形胞元,并通过不同的阵列方向,得到了2种新型反对称负泊松比弧形蜂窝结构。采用准静态压缩试验和有限元模拟的方法,探究了速度梯度对新型反对称弧形蜂窝结构模型的整体变形模式,不同层水平应变分布,变形机理,以及抗冲击性的影响。研究结果表明：不同于传统负泊松比蜂窝模型中出现大量的局部密实化区域,新型反对称负泊松比弧形蜂窝结构中局部密实带明显减少,结构中多层胞元组成的变形区域同时参与变形,整体表现出十分稳定的变形模式。这与最大水平应变的提高以及新型蜂窝结构抗冲击性的增强密切相关,特别是在中速模式下,新型反对称弧形蜂窝模型抗冲击性明显增强,冲击载荷效率达到78%,远高于传统蜂窝模型43%的冲击载荷效率;此外,反对称弧形蜂窝结构胞元还带动了相邻胞元之间的胞壁发生向上弯曲来抵抗弯矩。在低速模式下,2种新型反对称弧形蜂窝模型的最大水平应变分别提高了100%、36%;在中速模式下,2种模型均提高了39%。

     

PZT压电陶瓷高温变形与失效的实验研究

随着工业设备集成化进程的加快,PZT压电陶瓷获得越来越广泛的应用,其工作环境也越来越复杂.例如,新一代节能环保型发动机中起致动作用的压电陶瓷叠层驱动器,工作时要承受力-热-电载荷的共同作用.因此,研究PZT压电陶瓷在高温下的变形与失效行为,对工业设计具有重要的指导意义.为此,本文利用自行搭建的压电陶瓷高温下电滞回线、蝶形回线和应力退极化曲线的测试装置,研究了PZT压电陶瓷在不同温度下的电致变形和应力退极化行为,得到了材料在不同温度下的电滞回线、蝶形回线、应力电位移曲线和应力应变曲线.实验结果表明,随着温度的升高,由电滞回线测得的剩余极化逐渐减小,蝶形回线逐渐变扁;由应力退极化产生的剩余极化和剩余应变也逐渐减小.极化量的改变是由材料的热释电效应(自发极化随温度的升高而减小)造成的,而应变量的变化是由晶胞畸变随着温度升高而减小所致.     

电子封装技术中金属基板结构的热失效行为研究

本文将电子散斑干涉与有限元数值计算相结合，对金属基板结构的热失效行为进行了研究。获得了低维氧化物绝缘薄膜的热失效温度，以及失效过程中基板表面的变形分布；测定了25μm厚度绝缘氧化薄膜的热膨胀系数，室温下弹性模量和失效应力等三个重要的材料常数；结合实验所测定的材料常数和研究的基板结构及性能，用有限元数值方法，模拟计算了绝缘氧化薄膜在不同缺陷形状时的失效过程。并给出了不同温度下绝缘氧化薄膜的最大应力集中值。     

大型结构变形及形貌摄像测量技术研究进展

船体、机翼、工程建筑等大型结构的变形与形貌的精确测量是实验力学的基本任务之一。摄像测量具有测量精度高、范围大、非接触、可动态测量等优点,是结构形貌与运动测量的重要手段。本文介绍了作者及其所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形、形貌测量等方面的研究成果和典型应用范例,主要包括：提出折线光路像机链摄像测量方法与技术,用于船体等大型结构,不稳定平台的静态基准转换,以及地下工程、边坡等的多点变形长期动态监测;采用多摄像机联合组网,用于机翼、风电叶片等大型结构形貌与变形的高精度测量;在投影轮廓线辅助下进行多部像机组网,用于对大型堆场三维形貌、料堆体积和高程等的高精度测量等。     

铁电材料的疲劳失效行为

在航空航天、核能发电等重大装备技术领域, 作为高温传感/驱动/能量收集器件的敏感材料——铋层状结构铁电(BLSF)陶瓷在复杂载荷环境下的疲劳失效问题严重限制着器件寿命和可靠性的提高. 本文以BLSF陶瓷的应用需求为背景, 围绕铁电材料的疲劳裂纹扩展与电畴极化翻转及其相互作用机制等关键问题, 综述了铁电材料在热、力、电三种载荷及其耦合作用下疲劳失效行为的研究现状, 并根据当前铁电材料的一些新发展、新应用对其未来研究方向进行了展望, 旨在为高性能、长寿命铁电/压电器件设计提供参考.      

大型结构变形及形貌摄像测量技术研究进展

船体、机翼、工程建筑等大型结构的变形与形貌的精确测量是实验力学的基本任务之一.摄像测量具有测量精度高、范围大、非接触、可动态测量等优点,是结构形貌与运动测量的重要手段.本文介绍了作者及其所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形、形貌测量等方面的研究成果和典型应用范例,主要包括:提出折线光路像机链摄像测量方法与技...     

结构失效模式识别中失效元漂移问题的分析

基于有限元重分析技术，考虑载荷对结构的综合影响，从失效元漂移问题和结构极限承载能力角度出发，对结构可靠性分析中，增量载荷法的加载方式进行了分析和改进，并通过有限元程序进行了对比验证，文后提供了算例。结果表明，改进后的分析方法具有更广泛的应用性，其分析结果具有满意的精确度和良好的稳定性，更适合于实际工程中大型结构系统在多种载荷共同作用下的可靠性失效模式分析。     

考虑弹塑性变形阶段的干气密封接触模型

为探究干气密封摩擦界面在变形全阶段的接触特性,基于分形接触理论及微观接触力学理论,充分考虑微凸体变形的3个阶段,通过余弦函数构建干气密封全阶段接触模型,并分别与GW模型、KE模型和ZMC模型三种经典接触模型及相关文献的试验数据作对比,验证本文中接触模型的合理性与正确性.最后对干气密封摩擦界面接触特性的主要影响因素进行探究.模型研究结果表明：干气密封摩擦界面的接触特性与分形维数、特征尺度及两表面的真实接触面积有关.接触特性与分形维数和两表面真实接触面积呈正相关,与特征尺度呈负相关.分形维数越大,接触载荷与接触刚度的数量级就越大,且接触载荷变化范围相对较大.当特征尺度每次以1个数量级递增时,接触载荷与接触刚度的变化范围较小,都在1个数量级内.     

非接触式气体润滑密封变形的数值分析

针对离心泵用非接触式螺旋槽气体润滑密封，通过采用有限元法求解描述密封端面间气体流动的雷诺方程，计算了不同约束、不同结构的静密封环和配对动密封环的力变形、端面泄漏量、开启力及气膜刚度等参数，分析了变形对密封特性的影响．结果表明：密封环的力变形使得端面气膜形状大多呈发散型，约束对其变形大小具有重要影响，选择合适的约束可以减小密封面转角、提高气膜刚度、增强密封工作稳定性；变形对密封的开启力影响不大，但变形导致泄漏量增大，并明显改变气膜刚度。     

轻质多孔夹芯结构的弹道侵彻行为研究进展

多孔夹芯结构是一类由薄而刚硬的面板和多孔材料芯材构成的复合结构,具有高比刚度、高比强度、缓冲吸能效果优异、可设计性强等特性,在航空航天、交通运输、结构防护等诸多领域引起了广泛关注,且已有诸多成功的工程应用案例,是一类极具潜力的先进轻质高强多功能一体化结构.为阐明轻质多孔夹芯结构的抗侵彻特性与耗能机理,进一步拓展轻质多孔夹芯结构的工程应用范围,对轻质多孔夹芯结构弹道侵彻行为的研究成果进行了系统的综述和展望,依据轻质多孔夹芯结构的结构特征及类型,分别评述了不同类型多孔夹芯结构的抗弹道侵彻破坏机制、能量耗散机理及轻量化设计等方面的研究,展望了未来多孔夹芯结构在抗弹道侵彻研究领域面临的问题和挑战.