射流速度及套管应力的ALE三维仿真分析

聚能射孔是包括炸药爆轰、药型罩压垮形成射流、射流侵彻射孔枪和套管的复杂动态过程,包含能量、质量、速度、变形之间的转化和平衡.本文应用LS-DYNA软件,建立射孔弹-射孔枪-套管三维模型,应用ALE算子分离算法,每一迭代步分为两阶段,先执行网格随物质运动的拉格朗日算法,再执行穿过单元边界的质量、内能和动量的欧拉映射算法,实现爆轰过程、药型罩固流转化、射流高速侵彻套管的大变形和流固耦合仿真,分析爆轰波叠加对能量、密度、射流速度和套管强度影响.一枚射孔弹射孔时,总能量转化为金属射流能量的转换率为13.1%,三枚时为23.1%,爆轰波叠加引起射流转化能量增强.三枚的射流总能量达到133 kJ,超过三个单枚之和75 kJ的77.3%,说明爆轰波重叠使得爆轰产物对射流能量有持续补充作用,对提高孔深有利.射孔弹增加,射流平均能量增大,爆轰产物平均能量减小,但射流和爆轰产物总能量增大,说明弹间的相互作用强烈,爆轰更彻底,对提高孔深有利.三枚较一枚射孔弹射穿套管的时间提前了8μs,最大应力增加了260 MPa,三枚射孔弹时,套管应力值超过材料屈服强度范围较单枚增加了2.5 mm的圆环,爆轰重叠区域中心的套管应力为965 MPa,较单枚时的226 MPa提高了739 MPa,说明爆轰波弹间叠加加重了对套管的伤害.本文实现了射流形成机理、能量和速度转化和射流侵彻过程的流固耦合动态力学分析,搞清了爆轰波叠加对能量、密度、射流速度和套管强度的影响规律.     

岩石射孔开裂的初步数值模拟

岩石射孔作业后孔眼周围裂缝分布规律对后续压裂有不可忽视的影响。选取射孔围岩的横切面为研究对象,将三维射孔侵彻过程简化为二维扩孔过程。考虑岩石细观非均匀性,设细观强度参数服从韦布尔分布。应用拉伸破坏准则和Mohr-Coulomb压剪破坏准则,并用模量折减法处理单元开裂,从而用FEPG软件实现了有限元数值模拟。模拟结果表明:射孔后的岩石可根据裂缝产生原因及分布由内而外划分为四个区域:压剪破坏区、拉伸破坏集中区、拉伸破坏扩展区和未破坏区。分析了不同射孔弹规格及围压条件下裂纹分布变化规律。与室内模拟实验结果进行对比分析,初步验证了模型的有效性。     

SMC-R50复合板撞击破坏的定量研究和剩余强度的预报

本文研究了SMC—R50的撞击破坏,以及撞击破坏所引起的材料强度和刚度的降低. 撞击破坏引起SMC-R50薄板的厚度发生变化,以厚度变化作为衡量破坏的尺度.将宽试件切成窄条试件,以便实验测定一个“点”的剩余模量和剩余强度,并建立厚度变化与相应的模量和强度之间的关系. 用有限元方法分析受撞击的50.8mm宽试件的应力.把破坏区简化成各向同性线弹性的非均匀体,根据各单元的平均厚度变化,确定其相应的材料常数.用SAPⅣ计算出单元的主应力.用最大拉应力强度理论判断随着载荷增加时,其中某些单元逐次破坏并得出该试件的破坏载荷.理论预报与实验结果,吻合良好.     

定面射孔新工艺对套管强度的影响研究

用于非常规储层的定面射孔工艺可有效地降低水力裂缝的起裂压力,提高近井筒的泄油面积;但该工艺对套管强度的影响研究较少。本文基于流固耦合理论,建立了地层-水泥环-射孔套管的应力耦合模型,退化为裸套管与API标准进行比对,效验了模型,并发现地层约束条件下套管承受内压的能力提高了1.48~2.16倍,在此基础上,给出了套管尺寸、射孔直径及射孔相位角对套管承压能力的变化规律。计算表明:螺旋射孔方位角为45?时,定面射孔间夹角为30?时,套管内径越小,套管壁厚越厚,则套管的承压能力越高;相同参数下,定面射孔工艺比螺旋射孔工艺引起的套管承压能力略低。     

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。     

THE INFLUENCE OF THE NEW TECHNOLOGY OF FIXED SURFACE PERFORATION ON CASING STRENGTH1)

用于非常规储层的定面射孔工艺可有效地降低水力裂缝的起裂压力,提高近井筒的泄油面积;但该工艺对套管强度的影响研究较少。本文基于流固耦合理论,建立了地层$\!$-$\!$-$\!$水泥环$\!$-$\!$-$\!$射孔套管的应力耦合模型,退化为裸套管与API标准进行比对,效验了模型,并发现地层约束条件下套管承受内压的能力提高了1.48$\sim$2.16倍,在此基础上,给出了套管尺寸、射孔直径及射孔相位角对套管承压能力的变化规律。计算表明：螺旋射孔方位角为45$^\circ$时,定面射孔间夹角为30$^\circ$时,套管内径越小,套管壁厚越厚,则套管的承压能力越高;相同参数下,定面射孔工艺比螺旋射孔工艺引起的套管承压能力略低。     

砂岩蠕变破裂多尺度演化试验研究

岩石随着外载荷的增大发生变形和破坏,当外载荷保持不变时,变形并未停止,仍会持续增加,发生蠕变变形,其根本原因是岩石的非均匀性。岩石蠕变破裂是由岩石内部原始非均匀性引起的微观尺度破裂、细观尺度裂纹扩展和贯通、宏观尺度变形增大和破坏的过程,因此需要对岩石蠕变破裂的多尺度演化机理进行研究。本研究以砂岩为研究对象,从蠕变破裂宏观演化试验和破裂断口微细观扫描试验出发,分析砂岩试样不同尺度变形破裂机理。通过砂岩蠕变破裂宏观演化试验可以看出,在初始蠕变和等速蠕变阶段,岩石表面无裂纹,主要为微、细观裂纹的萌生和扩展。当宏观破裂面形成后进入加速蠕变阶段,在加速蠕变阶段,沿破裂面产生摩擦滑动,最终发生破坏。通过对典型破裂断口的微、细观结构特征分析及不同分析点位的组成成分和元素特征分析可以得出,岩石微观孔隙、裂隙等缺陷发育的结构非均匀性和组成成分的非均匀性是造成砂岩微观破裂和细观裂纹扩展的主要原因。多尺度分析的结果直观的反映了岩石内部裂纹扩展空间位置和扩展方向。这对深入研究岩石蠕变破裂演化机理是十分有意义的。     

金属拉扭强度关于材料声速及加载速率最小二乘法的回归模型

为了研究不同加载速率下金属的拉扭强度及其预测方法,利用声发射检测仪及电子拉扭试验机分别对铸铁和中碳钢标准试件进行了声速测定及不同加载速率、加载路径下的拉伸-扭转组合变形试验,得到了各试件材料的声速值及相应加载方案下的载荷-变形曲线;根据平面应力状态及强度理论,推导出了材料拉扭破坏的最大正应力、最大剪应力;利用试验中采集的最大轴力、最大扭矩计算得到了材料的拉扭破坏应力、破坏面方向;基于最小二乘法拟合得到了材料拉扭强度关于材料声速值、拉伸与扭转加载速率的多元回归模型。研究表明:随着拉伸与扭转加载速率的增加,铸铁、碳钢的破坏应力分别呈现总体上升、总体下降的趋势;相同加载速率、不同加载路径下材料的破坏强度各不相同;建立的回归模型能较好地预测给定材料在不同加载速率下的破坏应力,并以此建立塑性及脆性材料的拉扭强度条件。     

非稳态载荷下轮轨滚动接触及其钢轨波磨研究

利用有限元法,考虑材料反复滚压条件下棘轮效应和局部滑动的影响,研究了非稳态机车和车辆车轮载荷作用下轮轨滚动接触的弹塑性应力、应变和变形,进而分析了塑性流动型钢轨波浪形磨损的形成和发展过程以及波谷和波峰处材料的力学行为.结果表明:在非稳态载荷作用下,钢轨接触表面产生不均匀塑性变形引起的波磨,波磨发展速率呈衰减趋势,最终趋于稳定状态;在相同载荷下,与车辆车轮相比,机车车轮对钢轨波磨影响较大;波谷处的残余应力、应变和变形大于波峰处.     

不同应变率下冰破坏特性的试验研究

为研究寒区流冰对水工/船舶结构的影响,需要获得不同流速冰载荷的特征,准静态下不同应变率条件下冰材料变形至破坏的特征就成为一项重要的基础性问题。为此,开展了低温环境应变率10-2s-1至10-4s-1下淡水冰的单轴压缩试验。试验发现:随着应变率减小,极限应力由18.51MPa降低至8.44MPa,达到极限应力后,试件承载能力由瞬间消失变为逐渐降低至稳态,试件破坏形貌由劈裂转变为周向膨胀,即由脆性转变为韧性破坏,转变应变率约为10-3s-1;在双对数坐标系中,单轴压缩强度随应变率的增加近似呈线性增大。通过对应力-应变曲线进行积分,给出了不同破坏形式下冰变形至破坏的临界应变能密度,发现脆/韧转变状态下加载至破坏所需能量最大,该能量特征主要由冰中微裂纹的萌生、断面摩擦、再结晶引起。     

扁化效应对弯曲段套管抗挤强度的影响对比分析

针对弯曲段套管抗挤强度随井眼曲率变化规律问题，利用材料力学理论将弯曲段套管等价为均布载荷作用下的弯曲梁模型，根据拉梅厚壁筒理论和强度理论得到套管抗挤强度公式．借鉴扁化变形在圆管类结构中的研究思路，将其拓展到套管抗挤强度分析，对比分析是否考虑扁化效应下四种规格套管不同井眼曲率下的抗外挤强度．研究表明，套管轴向应力随井眼曲率基本呈线性变化；套管抗挤强度随井眼曲率的增加非线性下降．井眼曲率为2o/30 m时，是否考虑套管扁化变形得到的5 1/2"×10.54 mm P110套管抗挤强度误差为12.8 %；井眼曲率为12o/30 m时，误差46.9 %．井眼曲率为2o/30 m时，4 1/2"×9.65 mm TP140V套管抗挤强度误差11.9 %；井眼曲率为12o/30 m时，误差44.7 %．可见，考虑扁化变形后套管抗挤强度小于未考虑扁化变形情况；井眼曲率不大时，两种算法的差距较小，随着井眼曲率的增加，套管扁化变形对套管抗挤强度的影响不能忽略．     

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在注蒸汽吞吐井的井筒应力模型中引入井筒温度场,利用ANSYS软件对不同约束条件下井筒 的应力场进行了计算. 结果表明,最大热应力发生在套管内壁,超过了N80套管的弹性屈服 极限,最大热膨胀发生在温度过渡区. 当套管周围掏空时,热应变远大于材料的弹性极限应 变,是诱发热采井套管变形损坏的主要原因. 为此提出了相应的套管损坏防治措施,在油田 现场采用厚壁合金钢TP120TH套管完井,试验结果验证了防治措施的有效性.     

难加工材料切削机理研究的新进展

航空发动机重要零件如机匣、压气机风扇叶片等广泛采用钛、镍基合金等先进结构材料.钛、镍基合金材料切削加工性较差,主要表现在材料热硬度和热强度很高,所需切削力很大,工件、刀具容易产生较大变形;材料热扩散率低;刀具切削深度线位置缺口现象严重,以及形成锯齿状切屑等几个方面.深入研究此类难加工材料的切削机理,对于实现薄壁件高效精密数控加工技术至关重要.本文重点介绍了关于高硬度金属材料锯齿状切屑的形成机制;非连续切屑形成过程的有限元数值模拟关键技术,包括自适应网格细化、切屑与工件之间的分离准则,以及用以描述单元网格中裂纹形核与扩展的断裂准则和算法;切削区域高温、高应变率条件下材料屈服流动行为的准确描述,系统考虑应变、应变率和温度三者之间的相互影响作用;切削温度场、工件表层残余应力场的分布规律,以期消除残余扭曲变形对航空工业中普遍使用的薄壁结构件加工精度的显著影响.      

Analytical method for evaluating stress field in casing-cement-formation system of oil/gas wells

In this paper, we present an analytical method for evaluating the stress field within a casing-cement-formation system of oil/gas wells under anisotropic in-situ stresses in the rock formation and uniform pressure within the casing. The present method treats the in-situ stresses in the formation as initial stresses since the in-situ stresses have already developed in the formation before placement of cement and casing into the well. It is demonstrated that, via this treatment, the present method excludes additional displacements within the formation predicted by the existing method, and gives more reasonable stress results. An actual tight-oil well is analyzed using the present and existing analytical methods, as well as the finite element method. Good agreement between the analytical results and the finite element analysis(FEA) results is obtained, validating the present method. It is also evident that, compared with the present method, the existing method overestimates the compressive stress level within the casing and the cement.Finally, the effects of elastic properties of the formation, cement, and inner pressure of casing on stresses within the casing and cement are illustrated with a series of sensitivity analyses.     

Effect of shielding of a part of the casing of a technological explosion chamber on its stress state

The effect of the presence of a shield on the stress state of the casing of a real explosion chamber and the rate of decay of its vibrations was studied experimentally. Considerable decrease in the stress was observed in the shielded part of the casing and at its pole at which the shield was not installed. It was shown that the use of a local shield in the form of a shell ring significantly increased the duration of vibrations of the casing, in particular at the pole.     

NONLINEAR DYNAMICS RESPONSE OF CASING PIPE UNDER COMBINED WAVE-CURRENT

IntroductionThe casing pipes are widely used for drilling wells in the ocean. As depth of waterreaches100m or more than100m, the relative stiffness of a casing pipe is reduced and thenatural frequency of a casing pipe may be close to shedding frequency of…     

机匣模拟疲劳试验的相似条件研究

理论分析和试验结果表明，受内压的机匣与其相应的平板模型在开孔附近的等效应力分布非常相似；机匣模拟疲劳试验的应力相似条件下可表为，机匣与其模型在控制疲劳寿命的关键部位的等效应力水平和分布相同。     

膨胀管残余应力测试

膨胀管残余应力是影响膨胀管抗外挤、内压强度的重要因素之一。确定膨胀管的残余应力,测试方法至关重要。在常用测试方法中,机械测量法中的盲孔法体现出测试的优越性。应用盲孔法测试J55、K55两种规格膨胀管的残余应力,并根据实际测试的应力水平和实验误差,采用应变释放系数分级法对试验结果进行修正,以提高测试结果的精度。实验结果表明,膨胀管膨胀后存在环向、轴向的残余应力,且外表面总是压残余应力。将实验结果与仿真结果对比,误差满足工程要求,说明盲孔法测试膨胀管残余应力方便、快捷、准确、有效。     

Application of X-ray diffraction, micromagnetic and hole drilling methods for residual stress determination in a ball bearing steel ring

A basic understanding of distortion problems requires the analysis of a complete manufacturing process including an almost complete overview of residual stress states in the component during each production step. To reduce the measurement time in the future, three measurements methods (X-ray diffraction, micromagnetic and blind hole drilling methods) have been used to analyze residual stress states in machined AISI 52100 ball bearing rings. X-ray diffraction was used as a state-of-the-art method for machining induced residual stresses with pronounced gradients. The ring exhibited a complex residual stress state with high tensile residual stresses at the surface, a strong gradient in depth, and also showed some variation along the outer circumference due to a superimposition of machining induced residual stresses and effects from the clamping device process. Due to this surface state, micromagnetic signals depend on the analyzing frequency. A calibration of the signals was only possible with the X-ray diffraction data. The results of the three different measurement methods correlate reasonably well.