近场动力学与有限元方法耦合求解热传导问题

求解含裂纹等不连续问题一直是计算力学的重点研究课题之一,以偏微分方程为基础的连续介质力学方法处理不连续问题时面临很大的困难.近场动力学方法是一种基于积分方程的非局部理论,在处理不连续问题时有很大的优越性.本文提出了求解含裂纹热传导问题的一种新的近场动力学与有限元法的耦合方法.结合近场动力学方法处理不连续问题的优势以及有限元方法计算效率高的优势,将求解区域划分为两个区域,近场动力学区域和有限元区域.包含裂纹的区域采用近场动力学方法建模,其他区域采用有限元方法建模.本文提出的耦合方案实施简单方便,近场动力学区域与有限元区域之间不需要设置重叠区域.耦合方法通过近场动力学粒子与其域内所有粒子(包括近场动力学粒子和有限元节点)以非局部方式连接,有限元节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用.将有限元热传导矩阵和近场动力学粒子相互作用矩阵写入同一整体热传导矩阵中,并采用Guyan缩聚法进一步减小计算量.分别采用连续介质力学方法和近场动力学方法对一维以及二维温度场算例进行模拟,结果表明,本文的耦合方法具有较高的计算精度和计算效率.该耦合方案可以进一步拓展到热力耦合条件下含裂纹材料和结构的裂纹扩展问题.

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。

井筒内受压杆管后屈曲能量法分析与实验研究

井筒内杆管柱的屈曲行为是油气井工程中的关键问题之一.选取井筒内细长杆管柱为研究对象,根据受压管柱发生正弦或螺旋屈曲的几何形状,综合考虑屈曲后与井筒的接触摩擦状态,采用拉格朗日乘数法描述井筒的滑动位移边界,在能量法中引入重力势能及摩阻力耗散能,推导了受压杆管柱与井筒的接触力、摩阻力计算公式.并研制了专用管柱后屈曲实验装置,得出管柱发生正弦、螺旋屈曲失稳临界载荷及摩阻力变化规律,实验与理论结果吻合较好,为钻柱、连续油管等钻修作业中管柱的屈曲问题提供了一种行之有效的计算方法.

铌合金抗高温氧化表面处理技术研究进展

铌及其合金具有高熔点、低密度、良好的高温强度等特点,被广泛应用于航天航空、核工业等领域,但其较弱的抗氧化性能是工程化应用的瓶颈。文章首先阐述了铌合金的高温应用的问题,从合金化和表面涂层防护两个方面介绍了铌合金表面处理技术的发展以及应用优缺点。铌合金化虽可以一定程度上抗氧化,但会影响材料的性能,表面涂层是解决铌的高温氧化问题的有效途径。最后,对未来铌合金表面处理技术作了展望。

近场动力学与有限元方法耦合求解复合材料损伤问题

本文提出了一种求解纤维增强复合材料破坏问题的近场动力学方法(peridynamics, PD)/有限单元法(finite element method, FEM)耦合方法.根据PD方法求解含裂纹等不连续问题以及FEM高效求解的优势,将模型划分为PD区域、FEM区域和耦合区域.其中包含裂纹的区域采用PD建模,其他区域采用FEM建模,两区域的结合部分为耦合区域.该耦合方法操作简单, PD粒子与FEM节点之间没有重叠区域. PD粒子与其域内所有粒子(包括PD粒子和FEM节点)以非局部方式连接, FEM节点与其周围的所有粒子以有限元方式相互作用.该耦合方案模拟的复合材料损伤状态与纯PD方法模拟结果相符,但该耦合方案可有效地提高计算效率.