反复荷载下圆钢管型钢再生混凝土组合柱恢复力模型研究

为建立圆钢管型钢再生混凝土组合柱的恢复力模型,对11根圆钢管型钢再生混凝土组合柱试件进行了低周反复荷载试验研究,考虑了再生骨料取代率、配钢率及钢管径厚比等不同设计参数的影响,分析了组合柱的地震破坏形态及滞回性能。基于组合柱的力学特征及曲线形状,提出了圆钢管型钢再生混凝土组合柱骨架曲线的三折线参数模型,采用理论推导与数据拟合的方法确定了组合柱骨架曲线的模型参数。在此基础上,给出了组合柱的滞回规则和卸载规律,构建了组合柱的恢复力模型,计算滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好,表明该恢复力模型较好地反映了反复荷载下组合柱的受力特征点及滞回性能,可为此类组合柱的推广提供技术参考。     

井下管柱力学与控制方法若干研究进展

关于井下管柱力学的研究迄今已有七十多年的历程, 取得了许多重要的研究成果, 并主要在油气井工程中获应用实效. 然而, 由于井眼约束和作业工况的复杂性, 目前仍未能够全面而准确地揭示井下管柱在狭长井眼内的复杂力学行为, 导致相关工程设计控制方法难以解决好实际遇到的许多复杂问题. 本文回顾了井下管柱力学的整体发展脉络, 重点讨论井下管柱的静力学变形控制方程, 然后针对井下管柱力学中的几个重要科学问题, 包括井下管柱屈曲、井下管柱摩阻磨损、井下管柱安全作业极限和底部钻具组合力学特性及其相应的设计控制方法等, 分别简要介绍了相关研究进展、最新研究成果及存在的一些问题等, 并在一定程度上进行了总结与展望, 以期为井下管柱力学与控制方法的创新发展并促进油气井工程技术进步提供有益参考.      

PVC-FRP管混凝土柱组合抗压刚度理论分析

为研究PVC-FRP管混凝土柱的组合抗压刚度,应用弹性力学中的位移变分原理,对PVC-FRP管混凝土柱进行小变形下的弹性理论分析。考虑PVC-FRP管和核心混凝土径向位移和纵向应变协调,分别推导出PVCFRP管和核心混凝土的抗压刚度以及PVC-FRP管对核心混凝土套箍系数的理论计算公式。在此基础上,建立PVC-FRP管混凝土柱组合抗压刚度计算理论。分析CFRP条带体积含纤维率,混凝土泊松比以及混凝土强度等级等因素对PVC-FRP管混凝土柱组合抗压刚度的影响规律。理论计算结果与试验值吻合较好。     

基于改进Drucker-Prager准则的GFRP管约束高强混凝土短柱单轴压缩分析模型

针对玻璃纤维增强聚合物(glass fiber reinforced polymer, GFRP)管约束高强混凝土短柱的受力特点,及传统Drucker-Prager (D-P)准则存在拉剪区偏大的问题,提出了一种改进的D-P型塑性约束高强混凝土短柱单轴压缩分析模型,其考虑GFRP管约束效应相关的混凝土硬化/软化规律和非关联流动准则,以提高GFRP管约束高强混凝土短柱单轴压缩下轴向和环向应力-应变曲线的预测精度。该模型在ANSYS软件中实现了GFRP管约束高强混凝土短柱力学性能的计算模拟,并与试验结果的对比表明：两者的应力-应变曲线吻合较好,提出的分析模型合理可靠。此研究可为GFRP管约束高强混凝土的设计提供理论参考。     

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.     

井筒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．     

圆钢管型钢再生混凝土组合柱滞回性能非线性有限元分析

基于圆钢管型钢再生混凝土组合柱低周反复荷载试验研究,采用OpenSees软件对该组合柱进行了滞回性能数值分析,获取了组合柱的滞回曲线及抗震性能指标,并与试验结果进行了比较,验证了组合柱数值模型的合理性。在此基础上,对组合柱的滞回性能开展了参数影响分析。结果表明：再生骨料取代率从0增大到100%,组合柱的峰值荷载下降了7.78%,延性略有降低;提高再生混凝土强度、型钢强度及圆钢管强度,对于提升组合柱的承载力及刚度是有利的,但却使组合柱的脆性增大;随着轴压比的增大,组合柱的承载力呈现先上升后下降的趋势,而延性逐渐变差;型钢配钢率从5.54%增至9.99%,组合柱的峰值荷载提高了24.34%,但对于改善组合柱的延性不明显;增大钢管壁厚对组合柱的承载力和延性均是有利的。     

复合材料柱管撞击分析中的有限元方法

建立了复合材料柱管结构在撞击状态下的有限元分析模型,考虑了撞击大变形引起的几何非线性、撞击接触的非线性、纤维树脂复合材料的各向异性及材料的物理非线性．给出了利用该有限元方法分析玻璃环氧柱管撞击吸能特性,并与试验进行了比较,得到了较好的吻合结果,表明该有限元方法是有效的．此外,还讨论了纤维的铺设角度对复合材料管的吸能性能的影响．     

圆钢管型钢再生混凝土短柱轴心受压试验及有限元分析

为研究圆钢管型钢再生混凝土短柱的轴压性能,本文对9根短柱进行了轴心受压试验,分析了短柱的破坏形态及设计参数对其轴压性能的影响。结果表明:短柱破坏形式为型钢先屈服然后钢管表面发生外鼓变形破坏,核心再生混凝土主要发生剪切破坏和压溃破坏;短柱轴压承载力随再生粗骨料取代率的增大而降低,但仍表现出良好的变形能力;增大钢管壁厚和型钢配钢率对短柱轴压性能是有利的。此外,通过ABAQUS软件对该短柱轴压性能进行了有限元分析,获取了短柱的整体变形图、应力云图及轴向荷载-应变曲线,并与试验结果进行对比。结果表明:有限元模拟结果与试验结果吻合较好。在此基础上,本文对该短柱轴压性能进行了参数分析。分析表明:短柱轴压承载力随再生混凝土强度的提高而增大,但变形能力有所降低;短柱轴压承载力随钢管及型钢强度的提高而增大,对变形能力影响不明显。上述研究结论对圆钢管型钢再生混凝土短柱的推广应用具有积极意义。     

玻璃纤维管约束再生混凝土柱轴压性能研究

为研究玻璃纤维管约束再生混凝土柱轴心受压性能,设计了13个试件并对其进行轴心受压试验,观察并研究了试件在轴压作用下的破坏形态及破坏过程,获取了试件的荷载-应变曲线、荷载-位移曲线、承载力等轴压性能指标,主要分析再生骨料取代率、长细比、再生混凝土强度等级等参数对玻璃纤维管约束再生混凝土柱轴压性能的影响。结果表明:玻璃纤维管可以有效地提高构件轴压承载力,其中玻璃纤维管沿着环向和纵向方向发生不同程度的断裂而破坏,内部核心再生混凝土主要表现为压溃和剪切破坏;试件承载力随长细比和再生骨料取代率的增大而降低,最大降幅分别为13.72%和11.08%;试件轴压承载力随着再生混凝土强度的增加而增大,最大增幅为7.59%。在此基础上,考虑再生骨料取代率和长细比对试件轴压承载力的不利影响,提出适用于玻璃纤维管约束再生混凝土柱的轴压承载力计算公式,计算值与试验值吻合较好。研究结论可为该构件的工程应用提供一定参考。     

井筒中电缆磨损风险评估技术

生产管柱下入时受复杂井眼轨迹影响,电缆磨损失效等情况时有发生,造成不必要的返工,影响作业成本与时效.针对这种情况,建立了井下生产管柱受力有限元分析模型,并采用间隙单元处理接触非线性问题,用以准确地分析井筒中生产管柱与井壁接触力大小及具体接触位置.通过定量评估不同井周处电缆磨损风险,并结合钻井平台的艏向,确定电缆最佳安放位置,使电缆在井下尽量避开管柱与井壁接触较为密集的位置,降低磨损风险.现场应用表明本评估方法可靠,能够为现场电缆安放提供参考.     

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．     

Method of equilibrium differential equation for analysis of strength of large deflection drill string

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＤｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇｉｓｍｏｒｅｅａｓｉｌｙｄａｍａｇｅｄｓｏｔｈａｔａｃｃｉｄｅｎｔｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｃｃｕｒｓｍｏｒｅｏｆｔｅｎｉｎｌａｔｅｒａｌｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｔｈａｎｉｎｇｅｎｅｒａｌｗｅｌｌｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇｉｓｓｍａｌｌａｎｄｔｈｅｌａｒｇｅｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｌｏａｄｓｏｎｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇａｒｉｓｅｓｂｙｔｈｅｗｅｌｌｂｏｒｅｏｆｖｅｒｙｌａｒｇｅｃｕｒｖａｔｕ…     

The analytical solutions for the wave propagation in a stretched string with a moving mass

This paper derives the analytical solutions for a stretched string subjected to a concentrated mass moving at a constant velocity. From the derived analytical solutions of the contact force between the string and the mass, the displacement responses of the string can be easily obtained. The solutions cover an infinite, semi-infinite or finite string subjected to a moving mass at subsonic, sonic or supersonic velocities. For the semi-infinite or finite strings, the solutions for different types of boundary conditions are presented in both a unified form and in the form of a series of exponential and polynomial functions. The formula derived is shown to be correct by comparison with the semi-analytical method.     

气体钻井中接触非线性问题的数值算法研究

根据动量守恒和钻柱力学的基本理论,建立了气体钻井三维弯曲井眼钻柱动力学模型和钻柱与井壁接触碰撞模型;提出了一种求解钻柱与井壁接触非线性有限元方程的元胞自动机算法。该方法具有编程简单、收敛速度快等优点,以实际工况为例进行仿真模拟,选取有代表性节点的仿真计算结果并加以分析。仿真结果表明:该方法较好地解决了三维弯曲井眼中钻柱与井壁接触碰撞的复杂边界条件问题,在解决气体钻井钻柱与井壁接触非线性问题的研究中具有良好的应用前景。     

基于振动响应的耦合弦系统损伤检测

为解决具有相近频率和相重频率特征的多跨耦合弦系统的损伤检测问题,建立了耦合弦系统在外激励作用下的有限元运动方程.利用直接积分法计算了系统强迫振动响应,将弦的局部损伤模拟为单元面积的减少,推导了振动响应对弦单元面积的灵敏度,并利用此响应灵敏度进行弦的局部损伤识别.数值算例表明:此方法能快速准确地识别出耦合弦的局部损伤,并且对模拟的人工噪声不敏感.     

Response of a flexible tube to transverse impact I. Theory

The large non-linear response of a flexible viscoelastic tube under central transverse impact was studied by means of theoretical models, computer simulations and experiments. The present paper is concerned with the analytical solution of the system represented either as an elastic or viscoelastic (standard linear solid) string or Timoshenko beam with the local pinching deformation at the impact point expressed by either a linear elastic spring or a viscoelastic standard linear solid. These four models were solved numerically by the method of characteristics. A few comparisons of the results for the various models are presented here; correlations with corresponding finite element solutions and experimental data are described in a companion paper.     

有限差分法模拟单位冲激函数声波在钻柱中传播

为实现声波为载波,钻柱为信道传输井下信息的目的,了解声波在钻柱中的传输规律是必要的. 将钻柱简化为理想周期性管结构,利用有限差分方法,对单位冲激函数声信号在钻柱中传播进行了模拟,分析接收信号时域及频域分布得出：响应信号持续时间较长,信号随时间增长衰减,且最大幅值较输入信号小;钻柱结构的信道为梳状滤波器结构;通带存在谐振尖峰,尖峰数量与钻杆及接头数量有关. 模拟结果与同类研究成果有较好的一致性.     

New method for geometric nonlinear analysis of large displacement drill strings

Introduction Drillstringsina3Dlargedisplacementwellboreareusuallyregardedas3Dcurved beamswithlargedisplacementandlargerotationbutwithsmallstrain,thus,therelationship betweenstressandstrainislinear.Thedeformationofdrillstringscanbecomposedoftwo parts:oneiscalledtheinitialdeformationcausedwhentheaxisofthedrillstringisdeformed fromitsstraightconfigurationtothepositioncoincidentwiththewellaxis,involvinglarge rotationsandwiththeimplicationoffiniterotationalproblem.Theotheristhedeformation fromthew…     

定向井有杆抽油系统动态性能分析方法

由于杆管间库仑摩擦的影响,定向井有杆泵抽油系统动态参数预测模型是一个非线性的偏微分方程,求解复杂。鉴于此,提出了一种新的分析方法。该方法以定向井有杆抽油系统中的抽油杆柱作为研究对象,根据三次样条插值模拟得到的定向井的井眼轨迹,利用静力有限元法计算出了油管对抽油杆柱的支反力,进而得出了杆柱与油管之间的库仑摩擦力;给出了杆柱单元的受力分析;建立了有限元形式的杆柱系统动力学方程并利用状态空间法对其进行了数值求解,获得了悬点示功图。文末给出了两口油井的预测实例,并将预测结果与实测结果进行了对比。对比结果表明本文所提的分析方法是正确和有效的。