油井套管错断口爆炸处理的有关理论分析

研究油井套管由于错断,无法使下井工具通过情况下,采用爆炸方法打通错断口。文中给出错断口的爆炸工艺实施方法及有关理论分析。     

液压作用下套管柱临界屈曲载荷计算的能量法

推导了内外液压作用下套管柱微弯时的能量平衡公式,并计算了其屈曲临界载荷计算公式。得到的结果低于目前已发表的结果。内外液压对套管稳定性的影响相当于在套管底端作用一个附加的轴向力和一个沿轴线均布的线载荷。对含有内压的两端封堵的细长管柱,内压对临界屈曲载荷没有影响。结果可供油井设计及作业参考。     

基于拓展多尺度有限元的点阵材料结构最小柔顺性设计

论文应用拓展的多尺度有限元法(Extended Multiscale Finite Element Method),以微观构件的截面积为设计变量,研究了体积约束下点阵材料构成结构的最小柔顺性设计问题.建立了适应具有复杂几何形状和载荷边界的点阵材料结构的优化模型,应用序列二次规划算法对悬臂梁和L形梁算例在线性边界条件和周期性边界条件下进行了优化设计,讨论了点阵材料微结构尺寸效应对优化结果的影响,验证了优化模型和求解算法的可靠性,为点阵材料应用于复杂实际工程结构的优化设计提供了新的技术手段.     

特定方向零膨胀的最小柔顺性结构优化设计

工程中很多承载结构必须面对苛刻的温度变化工作环境,如卫星天线、太空照相机和电子器件等。剧烈的温度变化引起较大的热变形,造成仪器信号失真,精度下降;同时温度应力也会造成结构破坏甚至失效,因此零膨胀材料的研制备受关注。近年来国内外很多学者对此进行了研究,设计出具有特定等效膨胀系数的微结构,但考虑到制备工艺的限制,这类具有复杂微结构的材料制备起来比较困难,成本较高;同时这类材料一般不具备足够的刚度,难以满足承载性能的要求。本文基于结构优化设计技术,采用拓扑优化方法直接设计出具备较高的承载性能和特定方向变形较少受热载荷影响的结构。本文提出采用多目标优化的方法设计圆环结构,使其具有较高的刚度和在热载荷下圆环内表面具有较好的热几何稳定性。由于用单相材料无法同时满足高刚度和低热膨胀的要求,因此假设结构由两种不同的材料构成,用连续体拓扑优化的方法设计三相材料(两种实体材料MAT-I、MAT-II和空材料)在设计域上的最优分布,使结构满足设计要求。由对称性,设计域取为圆环的一个扇面,将设计域离散成有限元网格,每个单元具有两个设计变量:实体材料的体分比和MAT-I在实体材料中所占的体分比,采用伴随法进行灵敏度分析,用GCMMA方法求解此问题,采用体积守恒的Heaviside密度过滤函数保证获得清晰的最优拓扑构型以及避免棋盘格式的出现。通过两个数值算例,表明使用本文提出的多目标优化模型能够得到特定方向零膨胀同时具有一定刚度的结构设计,且这种宏观结构尺度上的两种材料组成的拓扑构型相对易于制造。     

光纤陀螺油井测斜系统硬件研究及设计

为了实现石油测井中井眼轨迹测量，提出了一种基于光纤陀螺油井测斜系统的设计和实现方法，将捷联惯性导航技术应用到油田测井领域。整个系统是以高速数字信号处理器TMS320VC33为核心实现数字滤波和导航解算，以FPGA设计为辅完成DSP外围接口功能，实现对水平井的井斜角、方位角和工具面角的测量。该文重点介绍了惯性测量单元、数据采集与接口电路、通讯电路和导航计算机等方面进行硬件和软件设计，并对已完成的试验样机进行全面测试，达到预期的基本要求。     

飞行器板筋结构优化设计的试验验证及分析

针对国内在结构拓扑优化上理论研究多、实验验证少的现状, 采用"敏度阈值" 等优化手段获得"创新结构", 并重点开展了传统与创新结构的试验对比与分析工作. 试验结果与数值仿真不仅具有良好的一致性, 而且还得到创新结构比传统结构刚度大(10%~30%), 应力低(10%~20%) 的结果, 运用"结构能量" 概念和能量原理给出了合理的解释. 对比试验不仅验证了敏度阈值等优化技术可以获得创新结构, 也为结构拓扑优化推广应用提供了宝贵的试验支撑.     

结构创新设计题所引发的结构形态创构新问题

以一结构创新设计大赛为例,从结构形态创构的视角,分析应用结构形态创构技术进行结构创新设计时的表达及求解可能.发现即使针对简化版的工程设计问题,仍包含了许多目前结构形态创构技术所解决不了的新问题.通过加入人工决策信息简化设计空间,应用结构形态创构中的连续体结构拓扑优化方法对结构创新设计进行了初步探索,归纳提出了若干具有理论及应用价值的结构形态创构新问题.     

多功能结构优化设计—DJU程序系统

本文介绍一个具有多种单元、多种结构性能约束以及不同目标函数的结构优化程序系统,用统一的公式处理各种性能约束,程序功能多、通用性强、且具有较高的效率.     

薄壳结构噪声约束下附加阻尼层的最小成本设计

薄壳附加阻尼层旨在降低薄壳结构的噪声,为此本文研究该系统成本最小的优化设计:以包含阻尼的结构各层的倒厚度为设计变量,以满足设计的噪声要求为约束条件,以结构成本(包括约束阻尼层结构的薄壳基础层、阻尼层、约束层的材料费用)作为目标函数.利用K-S函数得到最大振动加速度级来描述噪声,运用响应面方法显式化噪声约束函数,采用序列二次规划求解优化模型.算例表明,增加阻尼层和约束层的厚度有利于增强结构的阻尼和刚度,优化设计使得薄壳结构的造价降低8.44%,且使结构的振动综合指标降低了27.08%,从而使结构减振降噪性能得到了提高.     

一种有效的结构优化设计方法

基于非线性规划的对偶理论和函数的二阶台劳展开,得到了一种有效的结构优化设计方法,它具有通用性、可自动判别临界约束集合、计算效率高和适用于大型结构系统等优点,基于虚功原理,导出了性状参数的一阶和二阶导数计算式,利用圣维南原理,使性状参数二阶导数及相应的 Hessian 矩阵计算式大为简化,典型算例的计算结果表明本方法是相当有效的。     

结构的全过程设计优化

建立了结构生命期内的设计优化模型。根据该模型,不仅可以得到结构的最优设计－维修策略,而且可以得以结构的寿命期。对在役结构,给出当前结构的剩余承载力,模型将给出结构以后的最优维修决策。该模型的优点在于理论简单易懂,计算方便,便于实际应用。     

基于可视化的工程结构优化设计

提出并进行了基于科学可视化的工程结构优化设计,内容主要包括建模可视化与过程可视化两部分。建模可视化中论述了基于OLE自动化技术的对象可视化与优化模型可视化。优化过程可视化中,则讨论了跟踪可视化、驾驭可视化及模型特征可视化等内容。通过可视化、使优化建模过程与求解过程比过去变得透明、易于干预了,从而在一定程度上提高了优化效率与优化质量。作者研制与开发了相应的软件VBSOPTI．1并将其应用于几个典型例子,结果说明方法是可行的、有效的。     

基于区间模型的结构非概率稳健优化设计

采用区间模型描述不确定参数,在考虑传统约束条件基础上,增加了可靠性指标作为约束条件,研究结构的稳健性优化设计.从非概率可靠性指标的几何意义出发,寻找非概率可靠性指标目标值与不确定参数的波动范围的关系,将非概率的稳健优化设计转化为两层优化模型.对于非线性功能函数,内层优化根据非概率可靠性指标的波动范围最小化功能函数,从而避免了内层优化直接计算非概率可靠性指标难的问题.对于线性功能函数,不确定性参数可以表示为非概率可靠性指标目标值的显示表达式,两层稳健优化转化为确定性的单层优化.该方法优化描述明确清晰,计算公式简便,计算效率高.算例验证了本文所提方法的可行性和正确性.     

基于三线性分灾模型的结构多目标抗震优化设计

基于分灾抗震设计概念,发展了基于三线性分灾模型的结构多目标优化设计方法。以防屈曲支撑为分灾构件的框架结构为例,针对分灾构件设计参数,采用多目标遗传算法进行分灾结构多目标优化设计。最终得到了分灾框架结构分灾构件用量和层间位移角等重要特性的多目标优化关系,并进行了相关讨论。结果表明,结构多目标分灾优化模型可以综合考虑结构造价和抗震性能等,并可以根据目标偏好有效地满足设计需求;分灾构件对抗震性能的作用随着震级增大而增强,使用分灾构件的结构能够更好地抵御强震的作用。     

Modified sub-population teaching-learning-based optimization for design of truss structures with natural frequency constraints

In this paper, a modified sub-population teaching-learning-based optimization (MS-TLBO) algorithm is proposed to improve the exploration and exploitation capacities by including the concept of number of teachers, adaptive teaching factor, learning through tutorial, and self-motivated learning in the basic TLBO algorithm. The multiple frequency responses to the structural optimization problems are challenging due to its search space, which is implicit, nonconvex, nonlinear, and often leading to divergence. The viability and efficiency of the proposed method are tested by five structural benchmark problems of shape and size optimization with multiple natural frequency constraints on the planar and space trusses. The results reveal that MS-TLBO is more effective as compared to the original TLBO and other state-of-the-art algorithms.     

基于能度可靠性的结构优化设计方法

基于可靠性的结构优化设计是不确定性结构设计的最合理途径。本文提出了基于能度可靠性的结构优化设计方法,将不确定结构的优化设计描述为：在重量或造价约束下,极小化结构的失效可能度;或对确定的容许失效可能度,极小化结构重量或造价。所提方法和传统的基于随机可靠性的结构优化设计是平行和相似的。由于结构的能度可靠性模型对已知数据的依赖性较低,计算过程较为简便。从而可使结构设计阶段获取数据的难度大大降低,并有效降低计算工作量,且可使模糊信息的处理更为合理。实例计算说明了文中方法是有效和可行的。     

考虑稳定性约束的五零能模式材料结构设计方法研究

五零能模式材料是一种声学超材料,虽然它一般采用固体材料设计,并且单胞常应用微桁架构型,但理论上这种材料设计的结构是不稳定的.论文从分析设计结构整体出发,探讨一种通过施加预载荷,确保五零能模式材料结构稳定性的方法,并给出了保证结构稳定性的充分条件,且应用典型的五零能模式材料单胞构型加以验证.同时,为方便提出的稳定性条件在设计过程中的实施,将五零能模式材料结构的设计过程描述为五零能模式材料的变换过程,采用结构尺寸优化模型来描述.当材料单胞为微桁架构型时,这一结构尺寸优化模型简单,结构稳定性约束和五零能模式材料性质约束均为线性约束.     

基于非概率模型的结构可靠性优化设计

结构设计受控于诸多因素的不确定性。基于可靠性方法的优化设计是结构设计的合理途径。不确定结构的可靠性优化设计，通常是用概率模型求解。但概率模型的应用是以有足够的数据信息为基础的。且结构的概率可靠性优化设计通常计算量很大，设计效率低。本文基于不确定性的凸集模型描述，提出了一种不同的基于非概率可靠性的结构优化设计模型。它只需知道不定参量的界限，而不要求其分布型式。可显著降低可靠性优化的计算工作量。且由于对初始数据的要求低，具有较强的适用性。实例计算表明文中方法是实用和有效的。     

考虑水泥环完整性的油气井最大允许井口压力计算方法

在最大允许井口压力计算方法中考虑水泥环的完整性,以厚壁圆筒的弹塑性分析理论为基础,建立了套管-水泥环-地层组合体力学模型,将(内层)水泥环内壁发生破坏作为环空允许带压的限制条件。基于Drucker-Prager与拉伸破坏准则计算了某实例井各环空的最大允许井口压力,并将其结果与采用API RP 90标准推荐做法的计算结果进行了对比。计算结果表明:如果环空带压值增大,对于套管-水泥环-地层组合体而言,垂深最深与最浅处的水泥环内壁将最有可能率先发生破坏;采用本文方法的计算结果有可能会小于依据API RP 90标准的计算结果,依据API RP 90标准计算得到A、B环空的最大允许井口压力分别为17.04MPa和6.39MPa,而采用本文方法计算得到A、B环空的最大允许井口压力分别为15.1MPa和17.5MPa。     

预应力索-桁架结构形状优化设计

就预应力索-桁架结构形状优化设计问题,考虑了施加预应力阶段、预应力与荷载共同作用阶段的性态约束条件,建立了设计变量包括截面尺寸、索力值、杆件及索节点坐标的形状优化数学模型;在求解方法上将设计变量分为两个子空间:第一子空间为索力值和截面尺寸优化设计空间,第二子空间为形状优化设计空间; 第一子空间给出新的求解方法以减轻结构重量,第二子空间用节点渐进法优化结构形状和布索位置以增加结构刚度.算例表明,该方法能使结构重量逐步减轻,结构刚度不减,形状逐步达到最优.