射孔管柱振动参数实测及其ALE数值仿真分析

射孔爆轰产生的强冲击波作用于射孔段管柱,常发生管柱塑性弯曲、震弯、震断等事故。为了得到射孔管柱振动的关键参数,阐明射孔爆轰冲击下管柱的动力响应规律,以油田常用7″×12.65mm P110套管和2 7/8″×7.82mm P110油管管柱组合为例,应用ANSYS软件的AUTODYN模块,建立了长度为11m的有限元瞬态模型。用EULER模型描述作为固壁边界的套管和射孔段管柱,用EULER-MULTIMATERIAL描述大变形射孔液和发生固液相变的射孔弹,模拟射孔液的剧烈运动以及射孔液与套管、管柱的流固耦合作用,从有限元分析结果中提取射孔液压力脉动和管柱振动的关键数据;自主研发射孔压力和管柱震动测试器,实测环空射孔液压力脉动、射孔管柱震动速度和加速度;将数值分析结果与实测结果进行对比,分析射孔段管柱的震动规律。研究表明,近封隔器管柱处应力值更大,验证了射孔管柱常在近封隔器处震弯、震断的原因推断。射孔液峰值压力实测结果和数值分析结果分别为174.8MPa和191.4MPa,二者相差9.5%。实测和数值分析轴向加速度沿上下两个方向的最大值分别为178.4m/s~2、169.5m/s~2和189.1m/s~2、155.2m/s~2,实测与有限元分析结果对应相差分别为6.0%和8.4%,说明应用Euler和EULER-MULTIMATERIAL耦合算法模拟射孔爆轰的计算满足精度要求,方法可行。本文数值方法的分析结果可以指导现场施工。     

旋转导向系统底部钻具组合力学计算新方法

底部钻具组合(Bottom Hole Assembly, BHA)的力学计算是进行旋转导向系统钻具组合设计和井眼轨迹控制的基础．本文在纵横弯曲法、加权余量法和有限元法的基础上,提出了一种基于管柱单元组合的BHA力学求解方法．该方法以保持微分方程特解相同的条件作为管柱单元划分依据,对底部钻具组合进行单元划分;将管柱单元的挠曲线通解替代传统加权余量法的试函数,结合单元节点类型和组合关系,构建出包含边界条件和通解系数的线性方程组．对于边界条件未知问题,以支点反力符号条件为约束条件,以挠曲线越界程度、切点处弯矩平衡条件为目标函数,建立了以边界条件未知量为变量的多目标优化数学模型．应用多目标优化算法求解出边界变量,进而得出通解系数;最后,得出管柱单元内各点位移和载荷．以推靠式旋转导向系统BHA力学计算为案例,对比本文方法与加权余量法的计算结果,发现两者计算结果相差较小,表明本文方法可用于旋转导向系统底部钻具组合的力学计算．     

井简内旋转管柱动力学分析

井筒内细长管柱是石油工程中特有结构,考虑旋转管柱可能在任意井深和井眼圆周方向上与井筒产生随机碰撞接触,建立了旋转管柱动力学模型,并采用动力间隙元和空间梁单元、Newmark法进行动力学分析.经B3-4-P31等井的应用表明,该方法所设计的抽油杆柱能够在井下安全可靠工作,避免了抽油杆柱发生脱断、偏磨事故.     

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本文以ANSYS软件为平台建立了近底床钢管-混凝土单层悬跨海管有限元模型,综合应用PIPE59单元、MATRIX27单元和COMBIN40单元模拟了管内流体流动引起的科氏力、离心力以及海管与底床的弹性接触,计算了不同悬跨长度下的海管位移、应力及固有频率,通过与工程常用规范对照,验证了模型的正确性。研究表明,应用ANSYS软件可模拟近底床悬跨海管在内流、外流共同作用下的位移、应力及固有频率,本文建模方法便于工程应用。     

轴压FRP-混凝土-钢混合双管短柱数值模拟研究

为探讨FRP-混凝土-钢混合双管短柱的受压性能和约束机理,采用非线性有限元分析程序ANSYS,选取不同单元类型模拟不同制作方式的FRP管。假定混凝土达到抗压强度后强度不变,对轴压下FRP-混凝土-钢混合双管短柱受力过程进行了数值模拟。分析表明,数值计算结果与试验结果吻合良好,数值分析得出FRP-混凝土-钢混合双管短柱有...     

取换套修井管柱防卡力学分析与计算

通过取换套修井中套铣管柱的力学分析，建立了考虑压差和粘吸作用下套铣管柱的防卡力学模型．依此计算了管柱在不同井深下防卡的最长静止时间，并分析了影响管柱阻卡的主要因素．     

GLARE层板鸟撞数值模拟分析

运用大型非线性动力学有限元分析软件MSC.Dytran的ALE(任意拉格朗日欧拉耦合)分析功能,建立了基于耦合解法的GLARE层板受鸟撞作用的数值模拟模型.由于鸟体与结构发生高速撞击时呈现出流体特征,在计算中鸟体用流体本构模拟.为得到GLARE层板的层间应力,GLARE层板采用三维实体单元模拟.在耦合界面上,通过定义ALE界面传递流体域和固体域之间的相互作用.计算比较了五种不同铺层角度的GLARE层板,得到复合材料铺层角度为0°,30°,45°,60°,90°时,GLARE层板对鸟撞动力的响应,通过对计算结果比较,发现随着铺层角度增大,材料在X方向刚度降低,GLARE层板产生的应力减小,为GLARE层板的设计和应用提供了参考依据.     

弯曲井眼中受压管柱的屈曲分析

本文通过微元体的变形和受力分析，导出了弯曲井眼中受压管柱的屈曲方程──一个合参数。的四阶非线性常微分方程。ε是一个综合考虑轴压（Ｆ０）、管柱截面抗弯刚度（ＥＪ）、井眼轴线轨迹曲车半径（Ｒ）以及共眼有效半径（ｒ）的无因次参数。本文利用线性化方法及小参数摄动法求得了屈曲方程的一次分叉点ε１及二次分叉点ε２。当ε＞ε１时，管柱处于稳定状态，对应于屈曲方程的零解；当ε２＜ε≤ε１时，管柱处于正弦屈曲状态，对应于屈曲方程的周期解；当ε≤ε２时，管柱处于螺旋屈曲状态，对应于屈曲方程的螺线解。本文给出的弯曲井眼中受压管柱的两个临界屈曲载荷（与两个分叉声、对应），发生螺旋屈曲时的螺距等理论结果与他人发表的实验结果吻合较好。     

海洋平台导管架结构分析中管节点局部柔度的等效单元

本文建立了一种在海洋平台导管架有限元分析中代表管节点局部柔度的等效单元,可有效地反映管节点在轴力和弯矩作用下的局部变形性质,并导出了T型、Y型以及K型管节点的局部柔度等效单元的刚度矩阵。本文建立的等效单元可方便地与通用结构分析有限元程序(如SAP5)配合,对海洋平台导管架进行计及管节点局部柔度的精确静动力分析。作者编制了与SAP5配合使用的前处理程序,可自动生成符合SAP5输入格式的等效单元读入刚度矩阵的数据。文中给出了说明等效单元应用方法的简单算例。与有限元法计算的结果比较表明,用等效单元模拟管节点的局部柔度是必要的和准确可行的。     

基于ANSYS的近底床悬跨海管建模技术研究

以ANSYS软件为平台建立了近底床钢管-混凝土单层悬跨海管有限元模型.该模型综合应用PIPE59,MATRIX27和COMBIN40三个单元不仅模拟了海流对管道的作用,而且还模拟了管内流体流动引起的科氏力和离心力,另外还考虑了海管与底床的弹性接触.通过与CAM和DNV工程规范对比,验证了该模型.研究结果表明,所提出的建模方法可方便地应用于含内流的近底床悬跨海管的计算.     

钢管混凝土柱-钢梁节点的力学性能分析

基于弹塑性有限元理论建立了钢管混凝土柱-钢梁节点荷载-位移全过程非线性有限元模型,在单元分析中采用改进的AUL表述推导得到梁柱单元刚度矩阵方程,同时考虑了材料的物理非线性和单元的几何非线性,并编制了非线性有限元程序NLFEACFST。采用该模型对相关研究者和作者进行的节点试验进行了分析,理论计算结果与试验结果比较表明,该模型具有很好的适用性和精度。在理论分析模型得到试验结果验证的基础上,对典型的中柱节点进行了荷载-位移全过程非线性特性分析,并对影响节点承载力和荷载-位移骨架曲线的因素进行了参数分析,为进一步从理论研究钢管混凝土框架结构的力学性能创造了条件。     

骨陷窝--骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响

骨组织内的流体流动不仅为骨细胞的生存提供了充足营养供应及代谢物排放途径,也在骨重建过程中起到关键作用.为了更精确地阐明骨内液体流动的具体形式,这项研究利用骨陷窝-骨细胞的密度,形态和方向等参数来计算骨单元内液体的流动行为.首先,计算出不同形状和方向的骨陷窝周围骨小管的数量及分布情况,其次利用算出的参数以及骨组织其他微结构数据来估计骨组织的渗透率和孔隙率等参数,最后根据计算所得的参数建立骨单元的多孔弹性力学有限元模型,并分析了在轴向位移载荷作用下骨陷窝形状和方向对骨单元内液体渗流行为的影响.结果表明,在所研究的参数范围内不同骨单元模型的相同区域上,骨陷窝形状影响下的骨单元最大压力和流速比最小的分别增加了86%和18%;骨陷窝方向影响下的最大压力和流速比最小的分别增加了125%和56%.伸长形骨陷窝对单个骨单元局部压力的影响远大于扁平形和圆形骨陷窝.骨陷窝从0°绕x轴旋转到90°过程中压力是逐渐降低的,且30°,45°和60°的模型对骨单元内局部流速有显著影响.该模型表示骨陷窝的形状和方向以及骨小管的三维分布对骨单元内液体压力和流速幅值及沿不同方向的流动差异有显著的影响.这项研究将有助于精确量化描述骨内液体的流体行为.     

骨陷窝-骨细胞形状和方向对骨单元内液体流动行为的影响

骨组织内的流体流动不仅为骨细胞的生存提供了充足营养供应及代谢物排放途径,也在骨重建过程中起到关键作用. 为了更精确地阐明骨内液体流动的具体形式,这项研究利用骨陷窝-骨细胞的密度,形态和方向等参数来计算骨单元内液体的流动行为. 首先,计算出不同形状和方向的骨陷窝周围骨小管的数量及分布情况,其次利用算出的参数以及骨组织其他微结构数据来估计骨组织的渗透率和孔隙率等参数,最后根据计算所得的参数建立骨单元的多孔弹性力学有限元模型,并分析了在轴向位移载荷作用下骨陷窝形状和方向对骨单元内液体渗流行为的影响. 结果表明,在所研究的参数范围内不同骨单元模型的相同区域上,骨陷窝形状影响下的骨单元最大压力和流速比最小的分别增加了86%和18%;骨陷窝方向影响下的最大压力和流速比最小的分别增加了125%和56%. 伸长形骨陷窝对单个骨单元局部压力的影响远大于扁平形和圆形骨陷窝. 骨陷窝从0°绕$x$轴旋转到90°过程中压力是逐渐降低的,且30°,45°和60°的模型对骨单元内局部流速有显著影响. 该模型表示骨陷窝的形状和方向以及骨小管的三维分布对骨单元内液体压力和流速幅值及沿不同方向的流动差异有显著的影响. 这项研究将有助于精确量化描述骨内液体的流体行为.      

空间狭缝流道粘弹流体流动的有限柱解法

空间狭缝流道在粘弹性聚合物成型加工中较为常见.针对流道特点,仅仅在流动平面内对速度采用形函数插值,在厚度方向采用傅里叶级数逼近流动分布函数,推导弱解形式的单元方程后,通过坐标变换得到整体坐标下的有限元方程系数矩阵,再集合成整体系数矩阵,从而建立了空间狭缝流动的有限柱解法.分别采用有限柱法和三维有限元对积分型K-BKZ本构模型粘弹流体在L型流道的流动进行求解,发现有限柱法与三维有限元的结果在整体上十分吻合.出口处流量分布的误差小于2%,流量的结果仅仅在流道收敛处略有差异,但差异仅局限于很小的区域.相比与三维有限元方法,有限柱法的单元数、计算时间和对内存需求大大减少.研究表明有限柱法是一种分析狭缝流动的简便有效的方法.     

水锤作用下管路系统支撑处位移与输送速度的关系

以深海采矿扬矿垂直输送硬管在水力输送过程中的管道为研究对象,分析了管道系统在水锤冲击下考虑泊松耦合时流体和结构的瞬态响应;建立了管道系统在瞬变流情况下的流固耦合模型,获得了弱约束条件下支撑处管道位移随输送速度的变化关系。结果表明:随着输送速度的提高,当管道输送系统发生水击现象时,压力发生剧烈变化,导致管道支撑点处X、Y、Z三个方向的位移均大幅增加;X、Y方向位移呈现对称性,由于Z方向与轴向一致,水击发生时其位移变化较小;随着时间的延续,Z方向位移变化愈发明显;当采用较高输送速度输送矿石浆体时,管道与两相流浆体相耦合的振幅较大。以上结果可为管道设计中的支撑结构设计提供参考。     

焊接管结构的非线性推覆简化模型

有限元分析方法中,采用三维实体单元对焊接管结构进行离散是最为精确的建模方法,但对三维实体模型分析时会划分大量单元,导致计算时间冗长。工程中常把焊接管结构简化为刚架模型,即刚性连接的杆系系统。这种建模方式忽略了节点的局部柔度,过高地估计了整体结构的刚度,使计算结果偏于危险。为解决上述问题,在节点处引入虚拟梁单元,使其等效模拟节点的局部变形,还原支管真实长度。为了验证节点柔度对焊接管结构的影响,对典型的焊接管结构缩尺,进行了推覆试验。分别采用壳单元模型、刚架模型及引入虚拟梁单元的简化模型进行有限元模拟,并与试验结果对比分析。结果表明,刚架模型会过高的估计焊接管结构的刚度,而简化模型计算结果与壳模型、试验结果较为吻合。     

混凝土破裂过程的三维数值模型

利用混合同余法产生了随机变量,将混凝土中的骨料简化为球体,采用循环比较法将随机变量赋给球心坐标(X,Y,Z),实现了混凝土骨料的空间随机分布,最终建立了三维混凝土数值模型。对模型整体进行单元剖分,将骨料、砂浆、界面层分别投影到该有限元网格中,采用多次网格划分技术完成模型网格划分。通过对算例进行有限元计算,结果表明该模型基本上反映了混凝土骨料分布的实际情况,较好地模拟了混凝土的不均匀性与各向异性,验证了建立该模型的方法是可行的。     

6140机床主轴力学特性有限元分析

建立了6140机床主轴的力学简化模型,计算了在计算转速下的受力参数,从而建立起有限元分析模型,采用四面体单元划分网格,分析了机床主轴在加工过程中的变形和应力,依据有限元分析结果,提出了减小机床加工误差的方法．     

组合加肋旋转壳的强度和稳定性有限元分析

本文对轴对称加肋旋转壳及其组合壳体(锥-锥,锥-柱,球-柱壳等)在轴对称静载荷作用下的线弹性强度和稳定性计算,采用性能良好的轴对称拟协调单元推导了有限元的计算列式,并将计算结果与静水压力下的锥-柱-锥结合壳,加肋锥-柱结合壳的其它计算结果和实验结果进行比较。     

液浮陀螺仪框架结构刚度特性的研究

本文用有限元数值计算方法对引起液浮陀螺仪 b2 项漂移的陀螺仪框架结构 X、Y方向的刚度特性进行了分析 ,给出了三类框架模型在不同载荷作用下所表现出来的柔度特性 ,并对陀螺仪框架进行了结构优化 ,其结果为陀螺仪的改进设计提供了重要的参考依据