含开孔与含裂缝的复合材料层压板拉伸剩余强度评估

为研究含开孔和裂缝的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层压板在拉伸载荷作用下的剩余强度,针对四种典型铺层、两类损伤形式、四种损伤尺寸的约200件试验件进行了试验研究。结果表明:对于具有相同铺层、相同宽度的复合材料层压板,开孔直径与裂缝长度相等时,两类层压板有相同的剩余强度;加载过程中,裂缝根部较早出现裂缝、分层,应力重新分配,降低了裂缝根部的应力集中。基于损伤区纤维断裂判据、经典层压板理论及复变函数理论的强度计算方法能较准确地计算出含开孔的复合材料层压板剩余强度;计算含裂缝复合材料层压板剩余强度时可将裂缝损伤等效为开孔损伤,计算结果与试验结果吻合较好。

SiC/SiC复合材料层板低速冲击及其剩余强度试验研究

高速飞行器中的陶瓷基复合材料结构在服役过程中不可避免地会遇到低速冲击问题,低速冲击后的损伤形式以及剩余承载能力是影响飞行器结构安全的关键问题。本研究以二维编织SiC/SiC复合材料板件为研究对象,在不同能量下开展了低速冲击试验,分析了低速冲击载荷下试验件的表面损伤状态,通过计算机断层扫描技术观察了试验件内部的损伤形貌,结合冲击过程中的冲击响应曲线以及应变历史曲线,分析了SiC/SiC复合材料低速冲击过程的损伤机理。针对含勉强目视可见损伤的试验件开展了冲击后剩余强度试验,研究了勉强目视可见损伤对SiC/SiC复合材料剩余承载性能的影响。结果表明,在低速冲击载荷的作用下,试验件的表面损伤主要包括无表面损伤、勉强目视可见损伤、半穿透损伤以及穿透损伤,试验件的内部损伤主要有锥形体裂纹、纱线断裂以及分层损伤。低速冲击损伤会严重影响SiC/SiC复合材料的剩余性能,虽然试验件损伤勉强目视可见,但其剩余压缩强度为无损件81%,剩余拉伸强度仅为无损件的68%。

复合磨损套管爆裂失效机理及剩余强度预测

超深井、水平井、大位移井等复杂油气井服役工况异常恶劣,套管复合磨损严重,将对井筒完整性构成巨大威胁,且磨损套管剩余强度难以精准预测。为此,基于塔里木盆地塔中北坡顺南区块501井套管磨损数据及P110管材应力—应变本构关系,建立了充分考虑钻杆本体和接头联合造成的磨损模式、夹角、磨损重叠深度及磨损深度的复合磨损套管有限元力学模型,并开展了多种复合磨损模式下套管弹塑性变形、屈服、裂纹萌生、扩展及爆裂行为模拟,得到了不同复合磨损套管应力分布、剩余抗内压屈服强度及爆裂强度。研究结果表明:(1)月牙夹角在0°~90°时,应力干涉削弱应力集中,月牙夹角在90°~180°时,应力干涉增强应力集中,这种交互作用机制导致磨损套管剩余强度随着月牙夹角增加而先增加后降低;(2)裂纹萌生并起始于等效应力最大的位置即磨损月牙中心,并垂直于最大环向应力沿径向从套管内壁向外壁扩展,且裂纹一旦萌生,裂纹将迅速扩展并发生爆裂失效;(3)灰色关联度分析确定了复合磨损套管剩余强度对磨损深度、月牙夹角、复合磨损形式、月牙重叠深度的敏感性,分析结果表明磨损深度是决定套管剩余强度的主控因素。结论认为,该认识为套管强度设计与优化提供了技术参考,并对准确预测复合磨损套管剩余强度和确保井筒安全及完整性具有重要意义。

基于机器学习的CFST柱高温剩余强度系数预测方法

目的 为提高计算精度和速度,利用机器学习模型泛化数据,以预测CFST柱的高温剩余强度系数。方法 利用生成对抗网络将搜集到的110个试验结果泛化生成407组数据,据此训练机器学习模型,并使用试验结果评估其性能,以确定最优模型;然后使用生成数据输入建立的模型预测CFST柱高温剩余强度系数,并和现有计算方法进行对比。结果 建立的随机森林模型在性能度量上表现最好,拟合优度达到0.947 7,均方误差为0.001 8,精度为94.7%;预测结果误差在±10%内的数据为83%,在±20%内的数据为100%;剩余强度系数主要影响因素依次为温度、钢材屈服强度、混凝土抗压强度和横截面积,钢管厚度影响很小。结论 提出的预测方法优于现有计算方法,具有更快的计算速度、更小的结果误差以及更强的模型可解释性,该方法可为CFST柱抗火设计提供参考。

非共线多裂纹结构的剩余强度分析与评估

针对老龄飞机的广布疲劳损伤(Widespread Fatigue Damage,WFD)评估问题,通过试验方法研究了不同结构参数对非共线多裂纹结构剩余强度的影响,修正原有剩余强度评估方法中的缺陷,提出改进的净截面屈服准则和改进的Irwin塑性区连通准则,获得更准确的评估结果。改进的净截面屈服准则评估结果误差小,适用范围广,可以评估铆钉孔间距和铆钉孔直径对结构剩余强度的影响;改进的Irwin塑性区连通准则在铆钉孔间距大于10mm时,有较准确的评估结果,还可以评估裂纹分布位置对剩余强度的影响。

基于静强度分布参数的复合材料剩余强度及寿命预测

为探讨剩余强度及疲劳寿命与初始静强度分布参数之间的关系,构建基于初始静强度分布参数的剩余强度和疲劳寿命计算模型。在模型构建过程中未涉及复合材料结构的层数、铺层厚度和铺层方向,适应性强。模型参数可通过静力试验和剩余强度试验获得,试验成本相对疲劳试验较低。剩余强度和疲劳寿命与初始静强度变异系数及其分布参数有关,当初始静强度服从威布尔分布时,疲劳寿命亦服从威布尔分布,可为开展疲劳可靠性提供借鉴和参考。算例表明,基于建立的模型,剩余强度计算结果最大误差为-1.58%,疲劳寿命与试验数据吻合较好。

碳纤维复合材料层合板钻削后拉伸剩余强度研究

拉伸剩余强度是复合材料层合板的一个重要力学性能,对产品的使用寿命起着关键作用。为了研究钻削工艺参数对碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)层合板钻削后拉伸剩余强度的影响,将所选用的失效准则和刚度退化模式编写Vumat子程序,在Abaqus软件中建立了CFRP层合板钻削后拉伸有限元模型。通过正交试验探究主轴转速、进给量和钻头顶角对CFRP层合板钻削后拉伸剩余强度的影响。研究结果表明,主轴转速、进给量和钻头顶角都对层合板拉伸剩余强度有显著影响,提高主轴转速,减小进给量和钻头顶角都可以有效地提高层合板钻削后拉伸剩余强度,为实际加工提供参考。

相依部件平均剩余强度的非参数贝叶斯估计

应力-强度系统是一种普遍的系统结构,估计系统平均剩余强度时通常假设部件间相互独立。然而,基于部件独立假设会造成平均剩余强度估计的不准确。利用copula理论建立部件强度间的相依关系,得到了系统平均剩余强度的表达式。采用非参数贝叶斯方法估计了系统的平均剩余强度,对串联系统和并联系统数据进行蒙特卡罗模拟,验证了方法的有效性。结果表明,在部件强度相依的情况下,基于独立假定的串联系统平均剩余强度被低估,并联系统的平均剩余强度则被高估。因此,系统部件间的相依影响不能忽略。

基于改进剩余强度模型的复合材料疲劳寿命预测

复合材料强度退化规律对研究结构疲劳寿命具有重要意义,然而现有剩余强度模型均需利用剩余强度试验数据确认模型参数,模型构建成本较高。通过探究复合材料疲劳寿命和剩余强度的关系,以疲劳寿命累积分布函数为出发点,构建具有明确物理意义的损伤度,进而提出改进剩余强度模型。改进剩余强度模型不需要剩余强度试验数据,仅需初始静强度和疲劳寿命数据。在改进剩余强度模型基础上,构建S-N-φ疲劳寿命预测模型,该模型可以考虑初始静强度对疲劳寿命的影响。算例结果表明,改进剩余强度模型的预测精度是满意的,S-N-φ模型相比经典S-N曲线模型具有更好的预测精度。

高温后高强混凝土细微观结构演变机理及剩余强度试验研究

对经历不同加热温度和恒温时间的C60高强混凝土试块进行试验研究,以分析其细微观结构演变机理,建立高强混凝土高温历程与细微观结构演化关系模型和高温历程与剩余强度关系模型。通过热电偶测得试块内部温度场,并结合ABAQUS有限元模拟分析试块内部温度场分布规律,结果表明两者试块内部温度场变化基本一致;利用扫描电子显微镜、X射线衍射、显微硬度检测、汞压力测孔、超声5种测试手段,对不同高温历程后高强混凝土材料的细微观结构变化进行定性和定量分析,并且彼此印证,建立了高强混凝土高温历程与细微观结构演化关系模型;通过测强试验获得高温后高强混凝土剩余抗压强度,建立了高强混凝土高温历程与剩余强度关系模型。研究表明,随着温度升高,恒温时间增长,结晶水散失,水化产物、凝胶有不同程度分解,氢氧化钙、白云石、钙矾石含量减少,声时增加,波幅、频率减小,显微硬度下降,孔隙率上升。最终得出了高强混凝土材料高温历程、细微观结构及剩余强度之间的关系。

服役高速列车车体铝合金材料率相关剩余强度预测

高速列车结构与材料在长期服役过程中因受复杂边界条件的影响将逐渐趋于劣化,存在潜在的安全风险。本文以高速列车常用铝合金6005A-T6为对象,首先将材料细观微结构解耦为基体相与空洞相,推导符合微结构连续度Weibull分布特征的损伤演化方程;继而提出一种考虑应变率的试验−数值方法,识别材料颈缩后损伤的加速演化行为,进而推导得到覆盖空洞相萌生、生长、聚合全过程的损伤演化方程,并得出基体相的无损本构;最后结合细观物理机制提出损伤顺序交互作用模型,以实现仅测量材料表观弹性模量即可获取含先前服役损伤材料在后续延性变形中的损伤演化方程,准确预测含服役损伤材料的率相关剩余强度。研究结果表明:预测值与试验值的平均相对误差不超过1%。损伤随延性发展由应变率正敏感性转变为负敏感性;对于疲劳−延性机制,空洞在先前疲劳损伤发展的空洞基础上继续生长。

含双腐蚀缺陷高钢级油气管道剩余强度研究

为了加强含双腐蚀缺陷高钢级管道的安全评价,基于塑性失效准则,利用Workbench有限元分析软件对缺陷处的等效应力和剩余强度进行了模拟,考察了缺陷长度、缺陷深度和缺陷间距等参数对剩余强度的影响,利用99%相互作用准则确定极限作用距离,形成双腐蚀缺陷剩余强度评价方法,并进行数据验证。结果表明,随着内压的增加,管道先后经历弹性阶段、屈服阶段和强化阶段;在缺陷深度较深时,轴向间距对缺陷轴向分布时的最大等效应力影响较大,不同环向间距下的最大等效应力几乎不发生变化。当相邻腐蚀轴向间距系数n小于2.5、相邻腐蚀环向间距系数c小于1.26时,需考虑缺陷间的相互作用和影响;修正后公式可用于计算含双点腐蚀缺陷的高等级钢剩余强度,结果较DNV-RP-F101规范更接近有限元分析结果,最大相对误差不超过1.74%。研究结果可为提高管道完整性管理水平提供理论依据和实际参考。

基于导波监测的复合材料加筋结构冲击后剩余强度预测

对应用超声导波在线监测信息评估复合材料加筋结构冲击后剩余强度进行了研究。首先针对所监测的对象设计布置了压电传感网络并构建结构健康监测系统,通过局部信号差分系数计算出不同传感路径上的损伤指标,融合损伤概率成像方法识别损伤位置,测算形状因子以近似表征损伤尺寸。然后构建加筋结构有限元模型,由在线监测结果反馈损伤信息,采用软化夹杂法等效冲击损伤,依据复合材料损伤渐进失效分析理论,预测冲击后加筋结构的剩余极限强度。通过低速冲击、超声导波监测和压缩强度等一系列实验验证了所提出方法的有效性,为结构健康监测最高层次的应用提供基础。

大位移井套管磨损预测及剩余强度计算

在大位移井钻进过程中,由于水垂比大的特点,钻柱在井下运行形式复杂,造成套管内壁磨损严重,套管强度降低,极大地影响了后续钻井和生产作业。应用基于能量传递的套管磨损效率模型,采取分段法求取管柱侧向力,对套管月牙形磨损进行分析,并依据API(American Petroleum Institute)最小壁厚法,简化月牙状套管磨损,建立套管磨损预测及剩余强度计算方法。利用该模型对南海某大位移井进行计算。结果表明:侧向力是影响套管磨损的主要因素,倒划眼对套管的磨损效果明显强于正常钻进。全井段磨损最严重的位置是狗腿角最大的井段,套管失效的风险最大,是采取防磨措施的关键井段。经计算该井四开作业完成之后,狗腿角最大处的套管磨损深度为1.15 mm,套管强度衰减至原始强度的58.24%,但仍能满足强度要求;该研究成果为南海大位移井套管磨损的防治提供了依据和参考。

随机疲劳下复合材料剩余刚度-剩余强度关联模型及寿命预测

剩余刚度和剩余强度作为描述复合材料疲劳损伤程度最常见的方法,在应用过程中都存在各自的优缺点。刚度试验成本低,但缺少明确的失效判据使得其实际工程中的应用受到限制,强度虽然存在天然的失效判据,但破坏性试验导致试验成本较高。考虑复合材料结构大多在随机交变载荷下服役,如噪声、振动等。本文通过复合材料常幅疲劳数据推导了随机疲劳下的剩余强度曲线,提出了一种随机载荷下的剩余刚度-强度关联模型,减少了试验时间和成本,并通过关联模型预测了结构随机疲劳寿命,预测值与试验值具有较好的一致性。

喇嘛甸油田含腐蚀缺陷套管剩余强度模拟预测模型研究

喇嘛甸油田老井套管不特定点蚀现象频发,导致基于均匀腐蚀和圆形点蚀的安全评价方法准确度不足。为提高老井安全评价准确性,通过带有不同尺寸模拟腐蚀缺陷试样的特殊拉伸试验,结合有限元数值模拟仿真分析手段以及SY/T 5724给出的套管强度计算公式,建立了含腐蚀缺陷套管剩余强度预测模型。该模型可针对任意尺寸的腐蚀缺陷开展套管剩余强度预测计算,为后期老井剩余寿命评价构建数据基础,指导现场老井套管剩余强度预测。

渤海油田腐蚀磨损套管剩余强度计算

对渤海油田油气井的完整性问题详细排查,发现存在环空异常带压占比较高,导致井筒服役安全面临巨大的挑战。为有效计算环空最大承压能力,控制环空压力在有效的安全范围,需更精确的核算套管的有效剩余强度。渤海油田油气井套管腐蚀以CO_(2)为主,本文综合考虑套管在磨损、CO_(2)腐蚀共同作用,基于利用符合海洋石油特点的“De.Warrd模型的腐蚀速率预测模型”、“长期腐蚀速率预测模型”以及“管柱强度计算模型”,建立了套管磨损、腐蚀后的剩余强度计算方法,以环空带压自喷井2D井为例,对套管剩余强度进行核算,结果表明,套管以腐蚀为主要因素,磨损发生在套管下深中部的情况下,对套管中部剩余强度有影响,对套管整体最小剩余强度几乎无影响。通过该方法在核算套管在磨损及腐蚀双重影响下的套管剩余强度有重要意义,有效指导安全生产。

基于IWOA-LSSVM的管道腐蚀剩余强度预测研究

针对管道腐蚀剩余强度的预测问题,提出了一种基于改进鲸鱼优化算法(Improved Whale Optimization Algorithm,IWOA)-最小二乘支持向量机(Least Square Support Vector Machine,LSSVM)组合算法模型的剩余强度预测方法。首先对管材腐蚀剩余强度的影响因素进行分析,在此基础上,对LSSVM算法和IWOA进行理论介绍,提出模型的组合方法。以我国某油田的L245N材质管道为例,使用部分管材腐蚀剩余强度及其影响因素数据对组合模型进行训练,对另一部分数据进行预测,以此验证提出的组合模型的准确性及先进性。研究表明,所提出的IWOA-LSSVM模型在预测L245N管材腐蚀剩余强度的过程中,其均方根误差为0.3235%,平均相对误差为2.17%,拟合优度为0.988,三项评价指标均优于PSO-LSSVM模型和WOA-LSSVM模型。因此,使用IWOA-LSSVM模型可以对L245N管材腐蚀剩余强度进行准确预测,进而为L245N管材的维修及更换提供数据支持。

SK1井套管磨损剩余强度安全评价研究

深井超深井钻井过程中,受井眼狗腿度、机械钻速、顶驱转速等因素影响,技术套管的磨损问题不容忽视,严重时将会导致其抗外挤、抗内压强度明显降低,对井筒完整性造成极大隐患。为此,结合SK1井244.5 mm技术套管磨损原因深入分析,利用套管“磨损-效率”理论模型,建立了套管磨损量及剩余壁厚的预测方法,指出套管磨损严重位置通常发生在狗腿度较大的井深处,且随顶驱转速增加和机械钻速降低,套管的磨损量明显增大。通过将磨损套管分别简化成具有内壁不圆、不均度的含缺陷套管及“矩形槽”套管,建立了磨损套管的剩余抗外挤、抗内压强度计算方法及全井段剩余强度安全系数计算方法。分析表明,当顶驱转速高于100 r/min、机械钻速低于0.87 m/h时,SK1井244.5 mm套管的抗外挤最小安全系数将会低于1.0,需采取合理的钻井提速及防磨措施,以保证技术套管的强度安全。研究成果对于今后深井超深井的套管柱安全设计具有重要的指导意义。

外腐蚀损伤模式下的埋地钢质燃气管道剩余强度评价与剩余寿命预测

外腐蚀作为埋地钢质燃气管道失效的主要原因之一。对埋地钢质燃气管道的外防腐层状况检测,获取管道外腐蚀数据,进行剩余强度评价及剩余寿命预测,有助于管道安全运行、制定监护方案、计划性的开展修复及更换工作,充分利用老旧管道剩余价值。本文介绍了外腐蚀损伤的检测方法,引用单一体积型缺陷的剩余强度计算公式,进行剩余强度计算及剩余寿命预测。以实际案例阐述了外腐蚀损伤检测方法的应用,管体腐蚀数据的采集及处理,剩余强度及剩余寿命评价结果真实性的影响因素。