油管的疲劳强度分析

疲劳断裂是油管失效的形式之一,本文针对抽油机井常用油管(J55,2 ")在循环载荷作用下的断裂问题进行了理论与实验研究。实测了井口处油管载荷谱与应变谱,得到了油管载荷的变化规律,同时通过在室内建立模拟油管工况的试验台,得到了油管从上扣到加载的全过程中油管螺纹段内壁的环向、轴向、剪应变等的变化规律。并且采用油管螺纹段轴对称接触模型进行了弹塑性有限元分析,计算了油管螺纹内的应力应变场,发现油管内第一啮合齿齿根处应力应变最大,应力已经进入屈服阶段,油管是在高应力应变水平和低应力应变幅状态下工作。并利用局部应力应变法进行了相应的疲劳实验,得到油管的疲劳断裂条件,当油管内的应力应变进入强化段εeq>10-2ε,塑性应变幅超过4×10-5ε时,油管就会发生疲劳断裂。     

循环荷载下硅藻土应变和孔压特性

针对嵊州硅藻土的高结构性及地基应力场的复杂多变，应用GDS 动三轴仪进行不同围压和不同循环应力比下的不排水循环加载试验，分析应力-应变滞回曲线演化、应变累积特性、回弹特性及孔压特性．研究表明：循环应力比及围压对原状硅藻土应变和孔压的发展规律影响明显，随着循环应力比的增加，滞回曲线由线性状态转变为非线性状态，且逐渐向x 轴倾斜，累计应变和回弹应变都随着循环应力比的增加而略微增加，但总应变基本小于2 %；残余孔压比随循环应力比增大而增大，范围为0.1~0.5．并且存在一个临界循环应力比，其值随有效围压的增大而减小，范围为0.8~2.2，当循环应力比大于该值时，试样内部产生一个破裂面迅速发生破坏．在相同循环应力比下，试样的应变随着有效围压的增大而增大．     

瓷修复体界面断裂行为的模拟实验研究

本文利用云纹干涉法和云纹干涉－－有限元混合法，对瓷修复体的模拟双材料模型界面断裂问题进行了实验研究。用云纹干涉和数字错位云纹干涉法测量带边裂纹的双材料四点简支梁在剪切作用下界面表面的剪应变分布及界面两侧局部表面的位移场，实验表明，由于界面两两侧材料力学性质不同，表现出界面剪切断裂问题的非称性和裂尖附近复合型断裂的特点；用云纹干涉法和有限元法相结合的混合法对粘接界面角点应力奇异性进行研究，并对角点附近应力应变场作了分析，得到了应力奇异指数与边界楔角，载荷的关系，证明了用界面应力强度因子Kf来描述界面端部区域应力分布的公式，并得到了双材料界面端部区域的应力应变分布情况。本文的实验结果为进一步研究口腔金瓷修复体界面的优化设计提供了基础，同时也说明云纹干涉法对于双材料界面断裂行为的研究是有效的。     

考虑渗流效应的深埋海底隧道围岩与衬砌结构应力场研究

深埋海底隧道经常处于高水压工况,地下水渗流对隧道围岩及衬砌结构安全性有较大影响.本文提出了一种含衬砌深埋海底隧道力学模型,研究了海底隧道服役阶段地下水渗流对围岩及衬砌结构稳定性的影响机理.应用保角映射方法将包含海水与围岩弹性区的半无限域映射成圆环域,根据渗流边界条件建立了各界面间极坐标下的渗流方程,得到了海底隧道渗流场解析解.将渗流场以体积力形式作用到应力场中,根据应力边界条件建立了应力平衡方程,基于考虑中间主应力影响的Drucker-Prager （D-P）准则,得到了渗流效应影响下围岩与衬砌结构的弹塑性解析解.以深圳妈湾跨海通道工程为例,将解析解与有限元数值解进行了对比,验证了本文理论解的准确性,研究了渗流效应对隧道围岩与衬砌结构应力场的影响规律.最后,分析了海水深度与内水水头对塑性区半径的影响.研究结果表明:渗流效应对围岩与衬砌结构中的环向应力影响显著,径向应力随ρ增大呈非线性增长;随着海水加深,隧道承受水压不断加大,围岩塑性区范围显著增大;增加内水水头可以有效限制围岩塑性区发展,初始阶段限制效果明显,后续增加内水水头限制效果逐渐减弱.     

平面应变断裂韧度测试的有效性研究

针对平面应变断裂韧度测试厚度存在的问题,研究了几种材料测断裂韧度所需的实际厚度,拟合了平面应力到平面应变过渡状态下σz应力的分布,分析了过渡状态下的裂端应力场.通过分析不同材料特性和应力状态对断裂韧度KIC的影响,结合金属材料断裂的细观机理,认为平面应变断裂韧度KIC反映的是材料正断的性能,仅代表材料发生正断的指标.结果表明:对于某些高韧性材料,即使满足平面应变条件厚度要求,断裂以剪断为主,很难测出KIC;而对于偏脆性材料,即使不满足厚度要求,只要发生正断,也可测出KIC.结合已有试验结果,为平面应变断裂韧度KIC测定的厚度选择,提出一种合理的预测方法.借助三片模型的研究,给出平面应变断裂韧度的正断指标.     

高分子材料的非线性拟断裂特性的计算

本文研究了高分子材料的非线性拟断裂特性。拟断裂分析的模型是一个具有中心银纹的矩形板,在拉伸应力场作用下。银纹内的取向纤维束在计算中用表面边界力来表示。这种表面应力与张开位移是非线性相关,所以应用非线性有限元进行分析。计算结果给出了银纹表面的应力分布、张开位移曲线和银纹顶点前沿的塑性场。与一般的断裂问题相比较,发现银纹顶点附近的应力分布并不存在奇异特性,要求的初始屈服载荷提高。在相同的载荷作用下,塑服区的尺寸也远比弹塑性断裂问题小得多。     

油管的疲劳强度分析

疲劳断裂是油管失效的一种形式 ,本文针对抽油机井常用油管 (J5 5 ,2 1/ 2″)在循环载荷作用下的疲劳断裂问题进行了理论与实验研究。在实测油管载荷谱与应变谱的基础上应用弹塑性有限元法计算油管螺纹内的应力应变场 ,并进行了有关的疲劳实验 ,以得到油管的疲劳强度。油管内第一啮合齿齿根处应力应变最大 ,应力已经达到屈服阶段 ,油管是在高应力应变水平和低应力应变幅状态下工作。当油管内的应力应变进入强化段εeq >1 0 - 2 ε,塑性应变幅超过 4× 1 0 - 5ε时 ,油管就会发生疲劳断裂     

平面幂律塑性Ⅰ型裂纹尖端应力场全解

在航空航天、船舶、石油管道和核电等领域,服役结构或部件在长期极端条件下运行,不可避免地会产生裂纹,因此,为研究含裂纹结构的准静态断裂行为,必须了解裂纹尖端附近区域的应力应变场特点.对于幂律材料裂纹构元,研究平面应变和平面应力条件下Ⅰ型裂纹尖端应力场的解析分布.基于能量密度等效和量纲分析,推导了能量密度中值点代表性体积单元(representative volume element, RVE)的等效应力解析方程,并定义其为应力因子,进而针对有限平面应变和平面应力紧凑拉伸(compact tension, CT)试样和单边裂纹弯曲(single edge bend, SEB)试样,以应力因子作为应力特征量,并构造用于表征裂尖等效应力等值线的蝶翅轮廓式和扇贝轮廓式三角特殊函数,提出描述幂律塑性条件下平面I型裂纹尖端应力场的半解析模型.该半解析模型形式简单,对CT和SEB试样的裂尖应力场的预测结果与有限元分析的结果比较表明,两者之间均密切吻合,模型公式可直接用于预测Ⅰ型裂纹尖端应力分布,方便于断裂安全评价和理论发展.     

冲击荷载下钢化夹层玻璃薄板的动力学响应研究

针对工程材料中的钢化夹层玻璃受风沙冲击问题,利用重三角级数构造了冲击荷载作用下四边简支弹性矩形夹层薄板的挠度函数,依据积分变换方法求解挠度函数系数,并基于薄板小挠度弯曲理论得到四边简支条件下矩形钢化夹层玻璃薄板的应力与应变函数,利用Matlab编程对其分布规律计算,研究钢化夹层玻璃受冲击的动力学特性。结果表明：在不同冲击高度下,冲击力、位移响应均呈先增加后减小的趋势,且由于冲击惯性效应致使位移响应分为接触加载期、接触卸载期、脱离后期;应力波在玻璃内对称向四周传播且不断衰减致使位移场、应变场、应力场均呈对称分布,且冲击荷载对冲击点的影响最大;钢化夹层玻璃薄板冲击点区域下表面受拉而出现拉破坏,边界区域受压出现压破坏,而上表面的破坏情况则恰好相反。该研究结果为研究夹层玻璃受冲击破坏机理提供了重要依据。     

可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹尖端场

为了研究粘性效应作用下的动态扩展裂纹尖端渐近场,建立了可压缩粘弹性材料II型动态扩展裂纹的力学模型,推导了可压缩材料Ⅱ型动态扩展裂纹的本构方程.在稳态蠕变阶段,弹性变形和粘性变形同时在裂纹尖端场中占主导地位,应力和应变具有相同的奇异量级r-1/(n-1).通过渐近分析求得了裂纹尖端应力、应变和位移分离变量形式的渐近解,并采用打靶法求得了裂纹尖端应力、应变和位移的数值结果,给出了应力、应变和位移随各种参数的变化曲线.数值计算表明,弹性变形部分的可压缩性对Ⅱ型裂尖应力场影响甚微,而对应变场和位移场影响较大.裂尖场主要受材料的蠕变指数n和马赫数M的控制.当泊松比ν =0.5时,可以退化为不可压缩粘弹性材料Ⅱ型动态扩展裂纹.     

黄河李家峡典型岩坡变形破坏的水效应研究

黄河上游李家峡段高陡岩坡变形破坏受多种因素控制, 其中水的影响十分明显, 主要包括水的静态效应和动态效应两方面。本文从地下水的软化作用、库岸水压力或静水压力、孔隙水压力, 以及河流冲蚀、边岸再造、降雨引起的动水压力作用和水库泄水引起的动水压力作用等方面, 结合数值模拟手段分别研究了它们对岩坡变形破坏的影响程度和方式。     

风暴潮流运动的数值模拟

采用风暴潮全流运动方程组,对标准海域的风暴潮流运动进行数值模拟,利用以往的计算结果验证了数值模式,研究了开阔海域中,风暴气压、海域深度及底坡变化对风暴增水及流场的影响,分析了流速、潮位随时间和空间定量变化的规律。所建立的数值模型是进一步研究风暴潮流场中物质输运的基础。     

新疆克孜尔水库F2活断层活动特征分析 *

摘 要 新疆克孜尔水库区内F2活断层的活动规律对水库的安全性有重要影响,对F2断层短水准长序列的观测分析表明：F2断层下盘近40年来持续发生着由南向北的地倾运动。这既影响了短水准高差计算结果,也影响了位错模型水平扭动量和滑动角两个用于评价断层活动性的参数的计算结果,从而使F2断层活动性评价失去客观性。本文通过第1形变监测站人工短水准前尺读数长序列走势分析获得F2活断层下盘测线方向上12米处地倾活动的年变速率（1979-2006）为0.224mm/a,根据库区F2活断层两侧地表沉降速率等值线图确定、验证第1形变监测站上、下盘测线方向上地倾活动年变速率（1991-2002）分别是0.03mm/a、0.07mm/a。对水平扭动量和滑动角的计算和分析表明：F2活断层近10余年来的活动虽与水库蓄水、库水沿活断层下渗、河流改道及地壳运动关系密切,但尚无法认定其活动正在或已经加剧。     

含单个Ⅰ型裂纹的高温超导块材应力强度因子修正及计算

高温超导块材在外磁场下降过程中会受到拉伸应力的作用,可能导致其断裂,且其在受到拉伸应力作用时裂纹尖端产生小范围屈服,此时用线弹性理论计算应力强度因子将不准确。本文通过统一强度理论对裂纹尖端塑性区的应力强度因子计算公式进行修正。随后基于Bean模型分别讨论了外磁场变化速率和外磁场大小对应力强度因子的影响。结果表明高温超导块材充磁过程中,外磁场以较小速率下降时主要考虑外磁场下降速率对裂纹扩展的影响,当外磁场较大时,主要考虑外磁场大小对裂纹扩展的影响。本文结果对高温超导块材充磁过程中的裂纹扩展和应力强度因子的计算具有一定的参考价值。

     

行车荷载作用下冲填土变形特性试验研究

本文以上海临港新城冲填土地层分布区的道路在车辆振动荷载作用下路基变形为研究对象,以一定的动应力、不同的振动频率来模拟车辆振动荷载,进行了振动三轴试验研究,试验结果表明:在固结比相同,振动幅值相同的情况下,轴向应变随着振动次数的增加呈线性增大;轴向应变随孔隙水压力的增加先缓慢增长,当孔压比达到一定值后,轴向应变会迅速增加,直到破坏;轴向应变与剪应变和径向应变呈良好的线性关系。     

断层内破碎岩石渗透性的实验研究

断层破碎带岩石的渗透性是影响地下工程中由渗流失稳而引发灾害事故的重要影响因素之一。利用一种专门的破碎岩石压实渗透仪,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上测试了取自断层内的破碎灰岩、破碎砂岩、破碎泥岩的渗透系数,得到并分析了轴向压力、岩样粒径、水流速度与渗透系数的关系曲线。研究表明:破碎岩石渗透系数与其压实状态密切相关,随着轴压的增加,渗透系数都相应降低;在相同的轴向压力状态下,岩样粒径越小,其渗透系数也越小,因此,挤压程度和充填程度都较低的小断层导水性好,容易导致突水;破碎岩石的渗透系数随着水流速度的增大呈减小趋势,但水流速度对破碎岩石渗透系数的影响程度有限;在相同的压力、粒径情况下,破碎泥岩的渗透系数比破碎灰岩、破碎砂岩的要小1～2个量级,说明当断层上下盘为坚硬岩石时,断层带渗透性好、易导水。研究结果可为采动过程中评价断层的导水性提供参考。     

Numerical investigation of the temperature field in a reservoir with a hydraulic fracture

The temperature distribution in a reservoir with a hydraulic fracture is studied by numerical modeling of transient temperature fields taking into account the Joule–Thomson effect and the adiabatic effect. It is shown that the presence of a hydraulic fracture in the reservoir leads to a nonmonotonic change in the reservoir temperature: as the well pressure decreases, the temperature first decreases due to the adiabatic expansion of the fluid and then increases due to the Joule–Thomson effect. As the water–oil displacement front approaches the wellbore, the temperature decreases slightly due to heat exchange in the fracture–reservoir system.     

裂纹动态起始问题的研究进展

力图就前人提出的冲击载荷下裂纹的起始判据进行较全面的综述．这些较著名的判据有：（１）动态应力强度因子判据；（２）动态Ｊ积分判据；（３）最小作用量判据；（４）极小作用时间判据等．简要介绍了近年来有关裂纹在冲击载荷（特别是短脉冲）下动态起始的一些重要实验和实验中所发现的一些重要结论．实验公认，一般对于小范围屈服而言，材料的动态断裂韧性随加载（应变）率的提高而减小，此时材料的断裂形式为解理型；而对于大范围屈服则韧性随加载率的提高而增大，此时材料的断裂形式为纤维型．特别指出，Ｂｒｏｗｎ大学的平板撞击实验表明，裂纹在起始时，观察到一个不再满足二分之一阶奇异性的“尖峰”，按Ｃｌｉｆｔｏｎ和Ｆｒｅｕｎｄ等人所给出的模型，在裂纹起始断裂瞬间，在裂纹顶端会突然形成一个小洞，该洞的半径作为一个参数等于二相粒子的间距．     

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时,试样强度迅速上升,呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用.粉质黏土沉积物粒径细小,渗透性差,难以通过渗透作用传递压力,提高了沉积层的破裂压力.此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响.适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触,会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.