基于 Moldflow 的汽车中控台框架翘曲变形分析及优化

以某汽车中控台框架为研究对象,测量试模样品发现其翘曲变形量超过了装配要求。通过Moldflow软件模拟了该塑件实际的注塑过程,翘曲变形量的模拟值与实测平均值的最大误差为5.98%,发现该塑件翘曲变形的主要因素为冷却不均和收缩不均。本文在原物料中添加质量分数为25%的玻璃纤维以及优化工艺参数后,翘曲变形量的模拟值与初始方案相比降低了86.22%。试模验证表明,优化后的翘曲变形量模拟值与实测平均值的最大误差为4.35%,证明了Moldflow软件模拟分析的准确性。试模后各检测点的最大翘曲变形量降到了1.6 mm以下,较优化之前降低了80%以上,为类似大型复杂注塑件的翘曲变形分析及优化提供了思路。

海流作用下坠物沉降及撞击海底管道数值模拟研究

采用基于浸入边界有限元法的流固耦合数值模拟方法,对海流作用下坠物撞击海底管道完整过程进行了数值模拟研究。数值结果表明:在自由沉降时,坠物的流向速度与海流速度基本一致,不同海流速度下相同质量的坠物垂向速度基本一致,但在较低的坠物质量和海流速度下会出现冲跃现象,球形坠物的垂向阻力系数比立方形坠物小,并且阻力系数随坠物质量的变化而变化,坠物沉降角度随海流速度的增加而增大;在坠物接近海底管道时,流向速度逐渐减小,垂向速度均为先增大后减小,立方形坠物减小程度要比球形坠物大,质量大的坠物垂向速度减小的程度也要比质量小的大;在坠物撞击管道时,球形坠物撞击速度比立方形大,撞击速度比自由沉降速度大,撞击角度比自由沉降角度小,最大应力和凹痕均比无海流作用时小,球形坠物应力减小幅度为4.44%~16.71%,立方形坠物应力减小幅度为9.29%~12.14%,球形坠物凹痕减小幅度为4.17%~30.58%,立方形坠物凹痕减小幅度为10.41%~14.44%。

基于BP-SSA神经网络模型的中框塑件翘曲变形优化

为减小挂壁风机中框在注塑成型中的翘曲变形,运用Moldflow软件对中框进行仿真,以模具温度、熔体温度、注射时间、冷却时间、保压时间和保压压力6个工艺参数进行正交试验设计,基于试验结果建立工艺参数与翘曲变形量之间的反向传播(BP)神经网络模型,利用麻雀搜索算法(SSA)对模型进行全局参数寻优。结果表明,当模具温度为80℃、熔体温度为250℃、保压压力为82 MPa、保压时间为20 s、注射时间为3 s、冷却时间为26.25 s时翘曲变形量最小,预测翘曲变形量为2.483 mm。利用Moldflow软件对寻优得到的工艺参数进行验证,结果显示仿真计算的翘曲变形量为2.449 mm,与优化算法结果误差为1.3%,并将寻优获得的参数进行试模验证,试模翘曲结果与优化算法结果误差为2.6%,证明了优化算法的准确性,且注塑件外观无飞边缩痕等缺陷,装配效果符合预期要求。研究结果表明BP神经网络结合麻雀搜索算法优化工艺参数的技术方法具有可行性。

间隙元在钻柱瞬态动力学分析中的应用

为了描述钻柱与井壁的随机碰撞接触状态 ,本文构造了动力间隙元 ,并推导了动力间隙元的相对压缩量和迭代求解格式。把动力间隙元与梁单元相结合 ,采用 Newmark直接积分法和冲量定理 ,进行了钻柱碰撞接触非线性瞬态动力学分析。经工程应用表明 ,构造的动力间隙元能够描述钻柱的碰撞接触状态 ,所设计的偏心防斜钻具已在大庆油田得到应用 。

地面驱动螺杆泵抽油杆柱动力学分析技术及其应用

地面驱动螺杆泵抽油杆柱动力学分析是杆柱设计、失效机理分析的关键技术。针对细长抽油杆柱旋转运动时沿井深和井眼圆周方向与油管内壁产生碰撞接触的问题,建立了抽油杆柱非线性动力学模型。利用构造动力间隙元来描述旋转抽油杆与油管的随机碰撞接触状态,并与空间梁单元相结合,建立了旋转抽油杆柱动力学分析方法。在大庆油田B2- 6- 41 等井的应用结果表明,井口扭矩计算平均值与实际测试值的相对误差为1. 5%。根据求得的时域内抽油杆柱受力变形值以及与油管柱碰撞接触力,计算了抽油杆柱动强度和扶正器安放位置。利用该方法设计的抽油杆柱能够安全可靠地运行,使检泵周期超过550d。

水平井分流压裂管柱设计与力学分析

国内对水平井进行分流压裂施工尚属首次，压裂管柱设计及力学分析是压裂施工的关键技术问题之一。水平井压裂管柱在井眼曲率作用下随井身产生初始弯曲，弯曲后的压裂管柱在温度、自重、内外压力和局部集中力的综合作用下再次产生变形，变形后的压裂管柱必将与套管内壁产生接触，这种接触状态随井深和井眼圆周方向随机分布，是一种随机的多向接触摩擦非线性问题。文中将运用“多向接触摩擦间隙元法”对这一问题求解，并结合大庆油田水平井分流压裂管柱工程实例，进行了受力变形计算，给出了不同工作状况下压裂管柱与套管内壁的接触摩擦状态、管柱下端变形、井口载荷以及管柱任一截面处的内力和应力，为压裂管柱的设计和施工提供了可靠的理论依据。经现场试验表明，井口载荷的理论计算值与实测值的相对误差均在１３％以内，完全满足于工程的需要，并在水平井中成功地实施了大型分流压裂作业。

深井钻柱中减振器最佳安放位置计算

减振器是深井钻柱防断的主要工具之一，它的安放位置是工程中极为关注的技术问题。为此选取整体钻柱为研究对象，考虑了井架、钢丝绳的刚度以及泥浆的阻尼作用，建立起深井整体钻柱振动分析力学模型，并运用动力有限元法对钻柱的纵向振动进行了分析计算，根据钻柱的固有频率、响应位移和轴力值确定出减振器的最佳安放位置。经大庆油田深井典型钻具分析计算，给出了减振器在井深３０００～４０００ｍ时的最佳安放位置，对过去那种减振器放在近钻头处最佳的认识进行了比较。现场试验表明，减振效果明显，对降低钻柱的断裂事故起到了重要作用。

套管串受力变形分析与居中度计算

选取整体套管串为研究对象,考虑弹性扶正器变形、井身结构和各种外载荷等因素,建立了套管串非线性力学模型。通过构造“多向接触间隙元”模拟弹性扶正器与井壁的多向接触摩擦,并与梁单元相结合,形成了套管串受力变形分析的非线性有限元法。应用该方法编制的微机软件,分析计算了大庆油田定向井的套管串。结果表明,套管串居中度计算值与套管内陀螺测试数据基本一致,3口井的吻合率都在86％以上,验证了该方法的正确性。

颗粒群碰撞搜索及CFD-DEM耦合分域求解的推进算法研究

在采用计算流体力学−离散元耦合方法(computational fluid dynamics-discrete element method,CFD-DEM)进行固液两相耦合分析时,颗粒计算时间步的选取直接影响到耦合计算精度和计算效率.为此,本文选取每个目标颗粒为研究对象,引入插值函数计算时间步的运动位移,构建可变空间搜索网格;通过筛选可能碰撞颗粒建立搜索列表,采用逆向搜索方式判断碰撞颗粒,从而提出一种改进的DEM方法(modified discrete element method,MDEM).该算法在颗粒群与流体耦合计算中,颗粒计算初始时间步选取不受颗粒碰撞时间限制,通过自动调整和修正实现大步长,由颗粒和流体耦合条件实时更新流体计算时间步,使颗粒计算时间步选取过小导致计算效率低、选取过大导致颗粒碰撞漏判的问题得以解决,为颗粒与流体耦合的数值模拟提供了行之有效的计算方法.通过两个颗粒和多个颗粒的数值模拟,得到的颗粒间碰撞力、碰撞位置及次数,与理论计算结果的相对误差均低于2%,与传统的DEM碰撞搜索算法相比,在选取的3种计算时间步均不会影响计算精度,且有较高的计算效率.通过多个颗粒与流体的耦合数值模拟,采用传统的CFD-DEM方法,只有颗粒计算时间步选取10^(−6)s或更小才能得到精确解,而采用本文方法取10^(−4)s也能够得到精确解,避免了颗粒碰撞随时间步增大而出现的漏判问题,且计算耗时降低了16.7%.

圆管变截面结构局部压降计算方法研究

在农业机械、石油管道输送和井下作业工具中,存在大量圆管连续变截面结构,其压降计算还没有可靠的理论计算公式。为此,通过缩径、扩径流体数值模拟,给出了圆管缩径、扩径结构产生压降的流道长度分别为0.25D和2.0D、0.0D和3.5D。经不同缩扩、扩缩变截面结构的流场数值模拟,提出了缩扩结构在小于临界长度2.0D、扩缩结构小于临界长度3.75D的压降计算公式,在此基础上给出了圆管连续变截面结构压降计算公式,为连续缩扩结构与扩缩结构不同时小于临界长度的圆管变截面结构压降计算提供了可靠的、统一计算公式。

侧钻水平井螺杆钻具组合设计及应用

考虑侧钻水平井曲率半径大、环空间隙小等特征 ,建立下部钻具力学分析和钻具造斜率计算方法 ,通过垫块厚度、安放位置以及井眼曲率对螺杆钻具造斜率的影响规律分析 ,设计了侧钻水平井造斜钻具组合。经大庆油田 2口侧钻水平井应用表明 ,设计的螺杆钻具造斜率与实钻造斜率十分吻合 ,不仅满足了井眼轨道控制需要 ,还应用垫块取代了稳定器 ,为侧钻水平井设计造斜率高、井眼环空间隙大的动力钻具提供了一种新途径。

φ139.7套管内侧钻水平井弯螺杆钻具通过能力分析

考虑 139.7套管内侧钻水平井环空间隙小、曲率大等因素 ,应用间隙元法对下部钻具组合进行非线性静力学分析 ,求得钻具的变形、应力、摩阻力和接触力 ,结合 139.7套管内弯螺杆钻具的提放试验结果 ,建立了弯螺杆钻具组合通过能力的判定条件和计算公式 ,并在大庆油田侧钻水平井中得到应用和验证。

井简内杆管柱双层接触有限元分析及应用

构造双层多向接触间隙元描述细长油管柱与内外杆管柱的随机接触摩擦问题,与空间梁单元相结合,采用变刚度与等刚度交替方式求解,得出抽油杆柱与油管柱以及油管柱与套管柱的接触状态、接触位置、摩阻力大小以及抽油杆柱与油管柱在任意井深处的广义内力、应力和变形.三口井算例表明,抽油杆柱与油管柱的井口悬重误差低于10%,能够为抽油杆和油管柱设计和失效分析提供可靠的计算方法和理论依据.

套管钻井中连接螺纹力学分析及设计计算

在套管钻井中,套管偏梯形锥螺纹连接承受动载转矩,经常发生胀扣、黏扣失效.提出了一种新型的套管连接螺纹结构,采用内端面和锥螺纹共同产生预紧力;建立了套管钻井用连接螺纹的力学模型,以预紧力作用下连接螺纹的变形协调方程为基础,经求解得到了每一扣螺纹牙承受的轴向载荷.340 mm套管偏梯形锥螺纹连接的计算结果表明,在20 kN.m上扣转矩作用条件下,其优选结构参数:锥螺纹小端中径为328.787 mm,内螺纹体外径为350 mm.

受压油管屈曲变形与内外层杆管接触分析

针对机械采油工程中杆管偏磨问题,考虑直井内受压油管屈曲变形与套管、抽油杆的双层接触,以及油管和抽油杆的变截面结构和环空间隙,采用有限元结构稳定性分析方法对受压油管进行失稳计算,将求得的多阶失稳波形叠加值作为油管柱的初始位移,再采用大位移和接触非线性分析方法模拟受压油管屈曲变形,以及与套管和抽油杆间的接触摩擦,为套管内受压油管屈曲变形分析提供了一种计算方法.

小井眼钻柱瞬态动力学研究及应用

考虑小井眼细长钻柱沿井深和井眼圆周方向的随机接触碰撞，建立了钻柱瞬态动力学模型。运用动力间隙元不仅能合理描述钻柱与井壁的接触碰撞过程，还能考虑井壁变形和泥饼的能量吸收，并用Ｎｅｗｍａｒｋ法求解钻柱动力学平衡方程。通过钻井全尺寸模型装置上的钻柱动力学试验，对理论计算结果进行了验证，也为钻头干扰力确定提供了依据。经大庆油田１４口小井眼井应用表明，由钻柱动力学分析所设计的钻柱结构没有发生井下断钻具事故，防斜性能也比较好，机械钻速得到明显提高。

封隔器胶筒轴向压缩大变形与双重接触力学分析

压缩式封隔器胶筒属大变形材料,在坐封过程中与中心管、套管产生双向接触摩擦,给理论分析带来难度。鉴于此,考虑胶筒材料非线性、几何非线性及双重接触非线性,采用弹性力学理论和橡胶大变形本构关系,推导了胶筒坐封过程中的变形和接触压力计算公式,根据力学基本理论建立胶筒变形方程。将胶筒变形分为自由变形、单向约束变形和双向约束变形3个阶段,利用载荷迭代法求解各阶段的接触压力和压缩量。提出以密封系数作为封隔器坐封的判别条件,密封系数越大,表明密封性能越好;通过密封系数不小于1来判断封隔器是否完全坐封,由封隔器承受的最大压力来判断适用于何种深度的压裂井。该项研究结果可为封隔器设计提供理论依据。

阶梯水平井水平段三维轨道设计与计算

考虑水平井动力钻具的造斜能力,以阶梯水平段起始点和终止点的井斜角、方位角为控制量,以垂深或闭合距为约束条件,建立了水平井阶梯水平段三维轨道设计的数学模型,并给出了数学模型的计算方法,编制了相应的工程软件.此方法能够应用二段空间曲线设计阶梯水平段的升降、绕障碍或空间定目标轨道,所设计的三维轨道具有闭合距短、钻井成本低、易于控制等优点,该方法已在大庆油田阶梯水平井设计和施工中得到应用.

水平井压裂管柱受力变形分析的间隙元法

考虑压裂管柱的接触摩擦和弯曲效应，用多向接触间隙元（简称间隙元）和空间梁单元对压裂管柱的接触非线性问题进行了求解。该间隙元能正确方便地描述出压裂管柱与井壁（套管内壁）的接触状态、接触反力及相应的摩擦阻力，使压裂管柱计算力学模型简化少、受力变形分析值更准确。算例表明：用于压裂管柱井口负荷计算的结果与实验测试值符合很好，误差均小于１０％；为水平井压裂管柱的受力变形分析提供了一种实用方法。

水平井分段压裂工具技术现状与展望

目前,水平井分段压裂技术是通过地层改造,提高低渗、低压及低丰度等非常规油气藏采收率的主要技术。为了促进我国水平井压裂工具的研制及应用技术进步,介绍了国内外的水平井套管(环空)压裂工具和油管压裂工具的结构、工作原理、应用现状及优缺点,指出了我国水平井分段压裂技术的发展方向,即研制井下可溶压裂工具、发展井下智能化识别与控制滑套技术以及发展多层段多井同步压裂技术。开展高质量和新型压裂工具研制及井下工作可靠度评价等研究,对我国同步压裂技术发展具有重要意义。