螺杆钻具壳体连接螺纹结构性能分析与优化

考虑螺纹牙和基体的弹性变形,根据受力平衡方程和变形协调方程,构造线性方程组,建立了连接螺纹接头载荷分布特性的理论计算方法。采用迭代的方法,完成了全尺寸连接螺纹螺距P的优化,结果表明,针对连接螺纹螺距的优化极大地改善了螺纹牙载荷分布极度不均的现象,实现了螺纹牙均匀承载的变螺距结构设计。应用有限元分析方法分析了上扣扭矩状态下参数影响,结果表明,螺距P、牙高h等牙型参数全尺寸变化对提高强度性能效果不大,而降低前端几扣高度可以小幅提高连接螺纹接头的强度,但发生粘扣的风险却成倍增加。分析了外螺纹剪应力槽结构对连接螺纹性能的影响,并完成了相应参数优化。扭弯复合载荷作用下的连接螺纹接头应力分析表明,在产生弯矩的载荷作用下外螺纹受拉侧应力升高、受压侧应力降低,内螺纹则相反,环向Mises应力呈余弦函数分布。     

双台肩钻杆丝扣粘扣失效的力学机制探究

针对丝扣粘扣中接触压力过大引发的塑性变形的问题,基于双台肩钻杆接头的三维有限元分析,分析了上扣扭矩、轴向拉力、旋转扭矩作用下的钻杆接头接触压力分布规律和Mises应力分布规律。研究结果表明:当轴向拉力达到2500kN时,主台肩上的接触压力降为零,这将使得载荷主要由螺纹牙来承担,增加丝扣粘扣的风险。当旋转扭矩超过24000N m时,一方面提高了副台肩上的接触压力,增加了副台肩失效的风险;另一方面大幅提高了螺纹牙的承载比例,增加了丝扣粘扣的风险。适当增大副台肩间隙和副台肩处的接触面积可以降低大位移井中副台肩失效的风险。适当增大主台肩、副台肩的接触面积可以降低超深直井中丝扣粘扣的风险。本文计算的三种工况条件下,最大Mises应力同样均位于公扣大端第一个螺纹牙处,说明该处是最易发生粘扣的部位,在螺纹结构的优化设计中应予以重点考虑。     

螺杆钻具传动轴接头表面裂纹断裂性能研究

以螺杆钻具的作业载荷为依据,对传动轴上端接头螺纹进行断裂性能研究。首先,通过强度分析,确定接头螺纹易发生断裂的危险位置;然后,考虑材料的弹塑性以及螺纹升角,建立螺纹根部含横向半椭圆表面裂纹的外螺纹接头和相啮合水帽的有限元模型,定量评价弹塑性和螺纹升角对接头断裂性能的影响。结果表明,材料塑性变形和螺纹升角对裂纹前缘J积分的影响较大,忽略这两个因素得到的结果偏于不安全。最后,利用所建立的弹塑性有限元模型,对于上扣预紧力单独作用以及上扣预紧力和工作扭矩共同作用的两种载荷条件,得到螺纹根部裂纹前缘的临界形状比及其对应的量纲为一的J积分随裂纹扩展的变化,为进一步研究螺杆钻具传动轴接头螺纹的疲劳寿命提供依据。     

复合材料补片加固钢板的粘接应力与失效模拟

在ANSYS有限元软件中建立三维有限元模型,对复合材料补片单面加固钢板进行数值模拟,使用内聚力单元模拟胶层脱粘和扩展过程,有限元模型计算结果与试验结果吻合较好,弹性极限载荷和失效载荷的相对误差分别为9.6%和4.2%。计算得到了模型在拉伸载荷作用下的载荷-位移曲线、胶层剪应力和剥离应力分布情况以及补片x轴向应力分布情况。结果表明,胶层端部最先达到极限强度后出现开裂,脱粘从补片两端开始逐渐向中心扩展,且扩展过程是非对称的;当补片发生部分脱粘后,补片应力集中在未脱粘处,承载长度逐渐减小、承载能力逐渐降低。     

5-1/2 FH钻杆接头极限承载能力研究

随着超深井、定向井、水平井、大位移井及大斜度井在石油钻井工程中的广泛应用,由井下复杂工况引起的钻杆接头过早失效问题日益突出,导致钻井周期增长,成本增加,成为制约钻井工程效益的主要因素之一. 近年来,不少学者对钻杆接头进行了大量研究,多数采用二维轴对称模型,少数采用三维力学模型,但并未同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用等因素的影响,而钻杆接头的极限承载能力研究更是鲜见报道. 针对上述问题,基于虚功原理、von Mises 屈服原则及接触非线性理论,同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用,建立了钻杆接头的三维数值仿真模型与井眼曲率到加载弯矩的转换模型,研究了钻杆接头的上扣特性、井眼曲率对连接强度和密封性能的影响,考虑预紧力、弯曲载荷及动载安全系数,计算了钻杆接头的极限工作拉力和极限工作扭矩. 研究结果表明：上扣扭矩使钻杆接头产生一定的初始接触压力,保证钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能;井眼曲率对钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能影响极大,常见的某些工况会导致钻杆接头的连接强度和密封性能丧失,考虑服役时的随机振动与冲击,常规的超深井、水平井、定向井、大位移井及大斜度井弯曲段钻杆接头的设计和选型应着重考虑井眼曲率的影响;针对设计的每种钻杆接头,都应考虑常见的井眼曲率和轴向拉伸载荷进行极限工作拉力和极限工作扭矩的精细化数值计算,以确保其安全工作.     

交通载荷作用下埋地含缺陷玻璃钢管道力学行为研究

为分析含缺陷玻璃钢管道在交通载荷作用下的力学行为,基于ABAQUS有限元软件建立了含不同形状缺陷管道模型和不同埋深管土模型,研究了不同埋深、不同载荷及缺陷深度对管道不同层中截面沿环向应力分布规律的影响。结果表明,无缺陷管道各层应力分布均匀,含缺陷管道内区域层应力沿管材缠绕方向集中于缺陷对称角处;管道仅含轴向缺陷时管体应力峰值与应力突变幅度最大;缺陷相对深度对管道应力峰值影响较大。

     

海洋平台X型管节点应力集中系数计算

本文以海洋平台中X型管节点为例,以ABAQUS为分析工具,计算了管节点在主要加载方式下的应力分布,尤其关注几何学上的最危险地带——撑管和弦管交汇处的应力集中系数.根据有限元计算结果绘出应力集中系数曲线,并与其它学者所得到的结果进行了对比.结果表明,从一定的精度意义和应力分布趋势来看,本文所得结果具有可靠性.从X型接头可以推广至其他型式,为分析各种环境条件分别对平台管架结构应力集中的影响、推导各种载荷作用下的海洋平台导管架应力、弯矩参数方程奠定了基础.     

复合材料-金属毛化接头的失效预测模型

针对复合材料与金属连接的一种新型连接形式-毛化接头,建立了其在拉伸载荷作用下的失效模式与破坏载荷的宏-细观预测模型.首先根据毛刺的分布选择合适的代表体积元,建立毛刺层单胞模型,施加周期性边界条件,通过有限元分析得到毛刺层的平均刚度参数.其次,基于累积损伤理论预测毛刺层的单胞强度,分析毛刺层的失效机理.最后,将毛刺层的等效材料参数赋予接头整体模型,预测接头的抗拉强度及失效模式.预测结果与试验值吻合良好.分析结果表明,毛化接头的承载能力和失效模式与毛刺的密度高度、搭接面积等因素密切相关,通过参数设计可获得较高的承载能力.     

动压型分段式圆周密封变形特性及其调控策略研究

在流固耦合作用下,分段式圆周密封的变形特性和密封间隙形状是影响密封运行稳定性和可靠性的关键.通过建立动压型分段式圆周密封的流固耦合模型,研究了密封间隙的流场特性和结构变形规律,采用正交试验设计分析了影响密封变形的主要力学参数,包括密封压差、周向弹簧初始载荷和刚度、轴向弹簧初始载荷和刚度,并探讨了接头形状、接头间隙及辅助密封面槽型对密封环的变形调控效果.结果表明：在流体压力和弹簧力的共同作用下,变形后单段密封环的主密封面径向间隙沿周向呈现中间大两端小、沿轴向泄漏方向呈单调递减的变化趋势;力学参数中密封压差对密封环的变形影响最为显著,其次为周向弹簧初始载荷,最小为周向弹簧刚度;通过合理的接头形状和辅助密封面槽型的设计有望显著改善密封环的变形特性,获得分布更为均匀的主密封面径向间隙.     

纤维增强橡胶复合材料界面力学性能有限元分析

基于剪滞理论,引入双线性内聚力模型研究了纤维与基体界面应力传递机理.采用ABAQUS模拟了非理想界面在单纤维拔出过程中的脱粘失效,分析了不同脱粘阶段界面剪应力分布情况,以及界面刚度和纤维长径比对界面应力传递和拔出载荷的影响规律.结果表明,在纤维受载失效过程中,纤维的拔出过程可分为4个阶段,即界面的完全粘结、损伤演化、逐渐脱粘、完全脱粘.界面的刚度和纤维长径比对界面应力传递与最大拔出力均有一定的影响.界面刚度、纤维长径比主要影响纤维的最大拔出载荷以及界面脱粘失效位移.     

侵彻过程中弹引螺纹连接结构振动特性研究

针对侵彻过程中的弹引系统,对弹引螺纹连接结构振动特性进行了研究,建立了弹引螺纹连接结构弹性模型。在模型中,充分考虑了螺纹载荷分布不均匀的特性,不但给出了螺纹载荷分布规律,还给出了螺纹连接结构的等效刚度和振动频率;同时,为了验证模型的正确性,对弹引螺纹连接结构的拉伸和冲击过程进行了有限元仿真和试验,分别通过对弹引系统各结构振动特性的计算和对实测过载信号进行时频分析得到了系统的频率特性;将弹引系统的振动频率与实测过载信号的时频分析结果进行了对比。分析计算和试验结果发现:与静载荷时相比,冲击载荷作用下第一扣螺纹承受的载荷更大;螺纹连接结构的刚度明显小于固连结构;增加螺纹材料刚度、增加螺纹旋合长度、减小螺距能够有效增加螺纹连接结构固有频率;在侵彻过载测试信号的时频分析结果中明显存在与螺纹连接结构的振动频率一致的振动信号,并且该频率成分的信号幅值很高,对过载信号影响很大。     

5级人防口部粘钢封堵接头抗爆实验研究

通过粘钢实现一典型汽车库人防口部封堵的设计方案,并对原设计方案进行相似设计后,对粘钢接头结构实验模型在核爆炸压力模拟器中进行模爆实验,得到沿竖向支座钢板的位移和应变时程曲线,并和有限元数值解进行了对比,其结果均较吻合,通过沿竖向支座钢板的应变分布规律得到钢板-混凝土界面之间的粘结应力;检验了在5级人防爆炸冲击波作用下,混凝土墙与钢板间粘结面承载力的可靠性;分析了5级人防爆炸荷载作用下支座钢板沿竖向应力的分布规律,为确定混凝土墙与钢板之间粘结应力的计算方法提供了参考。     

沉管隧道接头非线性力学性能模拟方法

沉管隧道柔性接头的力学性能是其抗震设计的关键准则. 用有限元方法模拟接头的非线性力学性能需要解决接头处材料非线性和接触非线性两个问题. 为简化分析计算,该文采用分段线性化的方法表征接头的材料非线性问题,引进调整因子改进接触算法中的判断条件,处理接头的边界非线性问题. 通过沉管隧道接头的三维精细化建模,研究了沉管隧道接头在拟静力载荷下的响应,获得了接头的轴向等效刚度曲线、抗弯刚度曲线和非线性耦合的剪切特性曲线,进而分析了不同轴向压力对接头剪切特性的影响.     

无铆连接模具参数对异种金属板料接头成形的影响

为了研究无铆连接模具参数对304不锈钢和AL6061板料接头成形的影响,基于DEFORM-2D建立了有限元模型,分析了凹模深度、凹槽深度和凸模直径三个主要模具参数对接头成形的影响.研究结果表明,凹模深度越大,越有利于下板料变形,反之,则有利于上板料变形.当凹模直径一定时,凹槽深度和凸模直径过小不利于形成互锁,而凹槽深度不宜过大,避免出现充不满现象,凸模直径过大导致接头颈厚值过小.通过正交试验发现,对接头成形的影响程度从大到小依次为凸模直径、凹槽深度和凹模深度,确定了最优模具参数,并通过无铆连接实验验证了正交试验的可靠性.此外,通过剪切实验获得了接头最大剪切失效载荷为1.8 kN.     

整体型绝缘接头绝缘环应力分析

对绝缘接头在制造、安装、使用过程中绝缘环的应力分布及其影响因素进行了分析。分析结果表明,绝缘环的压应力与绝缘接头制造时的预压应力有关,预压应力越高,绝缘环的压应力也越高且绝缘环2的压应力高于绝缘环1的压应力。在轴向压力和弯矩的共同作用下,最大压应力发生在绝缘环1的弯矩压缩区,该区域绝缘环边缘有可能在轴向压力和弯矩共同作用下首先被压碎。在轴向拉力和弯矩的共同作用下,最大压应力发生在绝缘环2的弯矩压缩区,该区域绝缘环边缘有可能在轴向压力和弯矩共同作用下首先被压碎。绝缘接头在安装和使用运行中的最大压应力,不仅与制造时的预紧应力和管道轴向应力有关,还与绝缘接头的几何参数密切相关。在相同的管道轴向应力下,大口径管道中绝缘环的最大压应力比小口径中绝缘环的最大压应力大得多。     

Q460高强钢螺栓接头受力性能分析与评价

在试验研究的基础上,对Q460高强钢螺栓横排和纵排连接接头的应力分布、破坏模式、螺栓受力及承载性能进行了有限元模拟,并与EC3规范关于孔壁承压、螺栓抗剪、净截面破坏及板件撕裂的理论计算值进行了对比。研究结果表明:有限元分析的荷载位移曲线规律及连接接头的极限承载力与试验结果基本吻合。当螺栓横向布置时,两孔受力较均匀,应力云图及塑性区域呈对称分布,拟合曲线点分布较离散,采用EC3规范理论计算值富裕度较大;当螺栓纵向布置时,两孔受力不均,端部螺栓孔变形较大,EC3规范计算端部螺栓和中部螺栓承载力均比较准确。本研究可为高强钢螺栓连接设计方法提供数据参考。     

基于应变能法的单搭接螺栓剪切模型

为了简化复杂结构在冲击数值分析中的大量螺栓连接,可用等效的载荷位移模型代替复杂的螺栓连接关系,本文中针对单搭接螺栓连接在剪切载荷下建立了连接本构关系。首先通过对有预紧力的单搭接螺栓进行实验和精细有限元模拟,揭示了螺栓剪切载荷位移曲线的特征并针对不同特征阶段进行了相应的物理机理分析。在此基础上对于载荷位移曲线的界面黏结、部分滑移、整体滑移阶段提出了连接本构模型的基本形式和各阶段的参数估算方法。在部分滑移阶段考虑了4个方面的刚度贡献,其中部件对螺栓的支撑刚度是三维非轴对称变形问题,理论求解非常困难,本文中通过应力分布研究,采用应变能法解决了螺栓的支撑刚度的估算问题。提出的单搭接螺栓剪切模型物理含义明确,参数估算简单,准确度高。     

基于板理论的层级褶皱结构失效模式分析

本文基于弹性板理论和夹层板理论对二级层级褶皱结构失效模式进行了分析。通过对基本构件进行受力分析得到了载荷与结构变形之间的关系。根据6种失效模式的定义,从极限载荷或极限应力角度出发,分析了在压缩载荷和剪切载荷工况下的各种失效模式,给出了结构单胞对应的等效正应力和等效切应力表达式。由最小失效强度得到了各失效模式之间的占优关系,并构建了失效机理图来阐释这一机制。最后通过与有限元分析结果比较,分析了本文公式的精度,与数值解吻合较好。     

微电子封装中导电胶连接可靠性研究

导电胶连接是近年来发展起来的新技术,其连接可靠性对于连接器件的长期稳定运行至关重要.本文基于导电胶互连失效模式的分析,介绍了各向异性导电胶膜的力学性能,综述了外力载荷、环境因素和组件性能对导电胶连接可靠性影响的研究进展,给出了导电胶粘接接触电阻、粘接强度和失效概率的理论分析,以及连接器件界面残余应力和疲劳寿命的研究.最后,针对导电胶连接可靠性研究中涉及的主要方面进行了展望.     

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。