脉动顶张力作用下输流立管涡激振动主共振研究

为定量描述海洋工程中输流立管受脉动顶张力作用时的涡激振动响应,本文研究了海洋输流立管受到内部流体、脉动顶张力和涡流激励作用时的参数主共振问题。首先建立了该问题的数学模型,运用Galerkin法和多重尺度法对其进行求解,引入调谐参数描述输流立管第一阶固有频率同顶张力脉动频率和涡流频率的接近程度,通过改变调谐参数,研究输流立管的动力学响应。结果表明:定常顶张力作用下,立管的振幅为单值,随着调谐参数增大,立管振幅先增大后减小,且出现明显的跳跃现象,内部流体速度和张力幅值的竞争机制也会影响立管振幅;脉动顶张力作用时,在一阶锁频的条件下,随着调谐参数变化,立管的振幅呈现“多值—单值—多值”的变化规律,顶张力均值或脉动幅值越大,立管振幅的变化范围越宽。

基于格林函数的多跨钻柱系统的振动特性分析

随着油气勘探开发向着深层、深水及非常规等复杂领域的不断扩展,钻井面临的井况与约束条件更加苛刻,钻柱的动力学特性更加复杂,失效问题频发。该文应用格林函数理论对多跨旋转钻柱双向耦合动力学特性进行了定量分析和研究。考虑多稳定器及不同约束条件,以钻柱整体为研究对象,基于Euler-Bernoulli梁模型和Hamilton原理建立了具有广义边界约束条件及多稳定器的旋转钻柱双向耦合动力学方程。采用分离变量法、Laplace变换及Laplace逆变换求解所获得的振动微分方程,得到了旋转钻柱系统横向振动的格林函数解以及以格林函数为基础的多跨旋转钻柱系统的闭合形式的模态函数及隐式的频率方程。定量地分析了稳定器位置、弹簧刚度系数与稳定器个数对钻柱系统振动特性的影响。数值结果表明:稳定器位置与固有频率的关系曲线中有相应阶次数目的峰值;随着等效弹簧的刚度系数的增大,系统的固有频率随之增大,但当刚度增加到一定值时,系统的一阶和二阶频率将趋于稳定。研究结果有助于深化对多跨旋转钻柱的动力学特性规律的认识,为提高钻速、减少钻柱失效及钻柱钻井技术的应用提供了新的研究方法和理论依据。

多孔功能梯度管柱的热-流-固耦合屈曲特性

为了探究功能梯度管柱其热-流-固耦合屈曲特性对稳定性的影响,本文基于Euler-Bernoulli梁理论,研究了多孔功能梯度管柱的热-流-固耦合屈曲特性。分析中采用含孔隙度的Voigt混合模型描述多孔功能梯度管柱的材料属性。基于Hamilton变分原理,获得了多孔功能梯度管柱在热-流-固耦合作用下的非线性动力学控制方程及相应的边界条件。讨论了材料非均匀参数、孔隙度、内流流速、温度和轴向张力等参数对屈曲特性的影响。结果表明:随着孔隙度体积分数的增大,管道的等效弹性模量减小,但是屈曲临界温度、临界流速反而有所增加、而对于幂律指数,其对临界值的影响刚好与孔隙度体积分数相反。

横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳以及非线性振动特性

梁的轴向运动会诱发其产生横向振动并可能导致屈曲失稳,对结构的安全性和可靠性产生重大的影响.本文重点研究了横向载荷作用下轴向运动梁的屈曲失稳及横向非线性振动特性.基于Hamilton变分原理,建立了横向载荷作用下轴向运动梁的动力学方程,获得了梁的后屈曲构型.使用截断Galerkin法,将控制方程改写成Duffing方程的形式.用同伦分析方法确定载荷作用下轴向运动梁的非线性受迫振动的封闭形式的表达式.结果表明,后屈曲构型对轴向速度和初始轴向应力有明显的依赖性.通过同伦分析法得出非线性基频的显式表达式,获得了初始轴向力会影响非线性频率随初始振幅和轴向速度的线性关系.另外,轴向外激励的方向也会改变系统固有频率.

基于同伦分析法的FGM输流管非线性频率分析

该文基于同伦分析法研究了广义边界条件下含孔隙功能梯度材料(FGM)输流管道的非线性振动.基于FGM的幂律分布规律和Voigt模型来描述具有孔隙的FGM管道的材料特性.基于Euler-Bernoulli梁理论和von Kármán非线性理论,利用Hamilton变分原理,建立了含孔隙功能梯度流体输送管道的动力学控制方程和广义边界条件.采用同伦分析法求解了广义边界条件下的功能梯度流管道的非线性振动特性.数值结果表明:平移弹簧对失稳的临界流速影响不明显,而扭转弹簧则提高了失稳的临界流速,使系统更加稳定;在非线性系统中,黏弹性系数不会改变失稳临界流速;管道长度、幂律指数和孔隙率都会对FGM多孔输流管道的非线性自由振动有明显的影响.

拉、压静不定问题变形几何分析中存在的问题

建立拉、压静不定问题的变形几何条件是材料力学和工程力学教学的一个难点,而教学实践表明这个难点问题一直都没有得到妥善地解决.对现行教材及教学中存在的问题,提出了建议的教学方法供同仁探讨.

高阶剪切理论下梯度直梁在热环境中的静动态响应分析

基于高阶剪切变形梁理论研究了两端不可移简支功能梯度梁在横向非均匀升温下的热屈曲和自由振动问题。首先依据高阶剪切变形梁理论和Hamilton原理建立了功能梯度梁受热-机载荷共同作用下的几何非线性动力学控制方程;在研究静态热屈曲问题时,把方程退化成强非线性边值问题,采用打靶法数值求解该边值问题,获得了横向非均匀升温下梁的屈曲构型,绘出了梁的变形随温度载荷及材料梯度参数变化的特征关系曲线;研究动态响应时,采用Navier方法数值求解所建立的动力学控制方程,获得了横向非均匀升温下梁的自由振动响应,数值比较了不同剪切理论下梁的前3解固有频率随跨高比、材料梯度参数变化的规律。结果表明,剪切变形、梁的跨高比、材料的非均匀性、温度变化对于高阶剪切功能梯度材料梁的变形及固有频率有很显著的影响。

海洋气-液两相输流复合材料立管双向耦合涡激振动特性分析

为了研究深海油气开发中输送气-液两相复合材料海洋立管的涡激振动,本文对新型复合材料立管在气-液两相内流及海洋外流共同作用下,其横流向和顺流向耦合涡激振动特性进行了分析和研究。基于Hamilton变分原理建立了考虑气-液两相流输运特性、内流流速、轴向顶张力及纤维复合材料特性影响的立管横流向和顺流向耦合振动控制方程,采用尾流振子模型模拟海流对细长复合材料立管的涡激力。利用Newmark-β和四阶Runge-Kutta耦合迭代法求解耦合动力学方程,定量地分析了内流液相流速、气体体积分数以及纤维铺层角对复合材料海洋立管横流向和顺流向涡激振动特性的影响。数值结果表明,立管的振动形态与液相流速呈正相关,与气体体积分数和纤维铺层角呈负相关,并且液相流速、气体体积分数和纤维铺层角对顺流向的偏移量比横流向的影响更大;在振动位移最小的位置处,复合材料立管的运动多为准周期或者混沌形式;立管横流向的弯曲应力对于参数的改变相对于顺流向更加敏感,存在“跳跃”改变现象。

X52管线钢的本构关系及失效判据研究

X52管线钢广泛应用于石油天然气长输管道工程,具有良好的力学特性:强度高、塑性好。其本构关系的研究确定、矩阵表达及失效判据的建立是研究的主要内容。通过对比该材料的静力拉伸实验结果和Ramberg–Osgood本构模型,发现εεP0.2时,Ramberg–Osgood本构方程能够比较准确地反映X52管线钢的拉伸应力–应变关系,但当ε>εP0.2时,基于Ramberg–Osgood模型所得理论本构曲线与实验结果有较大的误差。基于此,对Ramberg–Osgood本构模型做出了修正,提出了X52管线钢在单向拉伸状态下的全局二段式应力应变关系式,并建立了X52管线钢本构关系的矩阵表达式。根据X52管线钢塑性极好的特点,分别研究了塑性材料基于应力的失效判据和基于应变的失效判据,给出了X52管线钢的应变控制失效准则。

碳纤维复合材料缠绕修复的压力管道断裂分析

采用耦合的有限元-无网格Galerkin数值算法,计算了碳纤维增强型复合材料缠绕修复的压力管道横向贯穿裂纹以及横向椭圆型表面裂纹前沿应力强度因子,据此分析了碳纤维增强型复合材料套袖长度对压力管道裂纹应力强度因子的影响。结果表明,本文所提算法能有效计算三维问题应力强度因子;含裂纹压力管道采用碳纤维增强型复合材料缠绕修复后,裂纹前沿的应力强度因子显著降低;修复套袖越长,修复效果越显著,但套袖长度超过一定范围后,应力强度因子的降低趋于缓慢,对修复效能的进一步提高贡献甚微。

钻井工况下单金属密封接触分析及实验研究

结合钻井领域高温高压工况,对单金属密封的装配过程和双侧受压情况进行有限元分析,求得动密封面接触压力梯度分布,并结合MATLAB和雷诺方程提出了一种计算动密封泄漏率的新方法;然后根据钻井工况搭建了旋转动密封实验台,对动密封面的接触压力分布情况和泄漏率进行测试。实验和仿真结果表明,在低压工况下动密封面呈收敛状态,有利于润滑油膜的形成,而高压工况下则发散;随着润滑油和钻井液压差的增大,动密封面内侧的接触压力逐渐减小,而外侧逐渐增大;泄漏率随着动密封转速的升高而增大,随着动密封轴向位移的增加而降低。

单金属密封的结构优化及其密封性能研究

针对油气田勘探中,复杂的钻井工况导致动密封工作性能极不稳定的问题,结合单金属密封结构和井底高压环境,利用有限元方法对单金属密封受压情况下的接触压力进行分析。用雷诺方程计算单金属动密封的泄漏率,以减小最大接触压力和泄漏率为优化目标,利用正交试验和F评价方法对单金属密封结构参数进行优化,得到密封结构参数对密封面接触压力和泄漏率的影响情况,并将每个水平数对应的优化目标计算结果分别取平均值,得到不同水平影响下接触压力和泄露率平均值的变化趋势,从而确定密封结构的最优水平值,并借助有限元仿真对优化前后的密封性能进行对比。最后根据优化前后的密封结构参数加工2套密封试件,进行密封实验。仿真分析和实验结果表明:高压工况下优化前的密封面内侧磨损严重,钻井液颗粒容易侵入密封面;而优化后密封面的最大接触压力有所降低,动密封面的最高温度和泄漏率明显降低。研究结果对改进单金属密封的工作性能、提高井下动密封的可靠性有重要的现实意义。

双层梁在均匀升温场内的几何非线性问题

基于精确的几何非线性理论,建立了轴线可伸长双层梁在温度载荷作用下的非线性弯曲控制方程。其中包含了由于材料在横向非均匀分布而导致的拉-弯耦合项。应用打靶法数值求解相应的非线性边值问题,得到了均匀加热下两端不可移简支双层梁的热弯曲数值解。作为算例,给出了由铜和钢组成的双金属梁的平衡构形和平衡路径,分析和讨论了几何和物理参数对梁变形的影响。

不同雷诺数下隔水管绕流模型仿真

为了研究深海钻井过程中不同海况下海流对隔水管振动情况的影响,利用COMSOL软件,建立了圆柱绕流二维仿真模型,对刚性圆柱展开绕流仿真,研究了不同雷诺数(2.5×104<Re<4.0×105)下隔水管绕流的漩涡脱落形态、升力系数和阻力系数、涡泄频率,斯特哈尔数(Strouhal)的变化规律。结果表明,随雷诺数增大,升、阻力系数减小,涡泄频率增大且近似呈线性关系,斯特哈尔数(Strouhal)在亚临界流区域及亚临界流向临界流过渡区域内基本不变。仿真结果与相关文献及经验值吻合良好,验证了仿真方法对隔水管振动研究的适用性。

基于FE/EFG耦合算法的虚拟裂纹闭合法

在裂纹附近区域采用无网格伽辽金(EFG)节点,其余区域采用常规有限单元(FE)节点进行数值离散并求解,获得含裂纹构件的位移场。在裂纹尖端及其附近设置局部辅助有限单元区域,用于求解裂纹尖端处的2个特征参数:裂纹尖端节点力以及靠近裂纹尖端处裂纹面的位移。由这2个参数得到裂纹尖端处的应变能释放率,进而求得相应的应力强度因子,此方法为计算应力强度因子的EFG虚拟裂纹闭合法。数值算例表明,采用EFG虚拟裂纹闭合法能够有效计算裂纹尖端处的应力强度因子。

旋转输流管中管结构强迫振动的格林函数解

基于Hamilton原理建立了计入气-液双相流、轴向外载及自旋角速度影响的管中管动力学控制方程。采用格林函数法,获得了系统双向耦合振动的解析解,得到的四个格林函数基础解适用于各种边界条件。首先验证了此方法的可靠性,然后利用系统的格林函数解,分析了内流气体体积分数、双相流流速、轴向压力、弹簧刚度系数等参数对管中管系统动力学特性的影响。结果表明,旋转系统在非受力向产生了响应,且各参数对系统的响应有着明显的影响;流速和转速的共同作用使得耦合系统产生了特殊的共振带,工程中需要选取远离共振带的转速与流速以避免失稳与破坏。

雷特堵漏技术在冀东油田NP13-1170井的应用

针对冀东油田南堡一号构造地区储层压力亏空造成的恶性井漏,采用雷特堵漏技术能很好地封堵裂缝,可提高地层承压能力,保护油气层。基于地层资料分析井漏原因、前期堵漏技术及现场雷特堵漏浆配置,介绍了雷特堵漏技术在NP13–1170井的应用情况,一次堵漏成功率100%,达到固井设计承压值,具有很好地推广应用前景。

井壁失稳机理分析及技术对策

在钻井施工过程中,由于地层应力、岩石性质、现场施工等因素的影响,常出现井壁失稳导致卡钻、测井复杂、井眼坍塌等复杂事故,本文对井壁失稳机理做了相应分析,重点分析了南堡41-4568井失稳情况,并通过钻井液性能维护、施工技术优化等方面总结了钻井施工过程中对井壁稳定所做的防护及处理措施,为后期井壁稳定工作提供了借鉴性方案。

《化学能转化为电能---电池》教学案例

无。

石油钻井定向井轨迹控制关键技术分析

石油不但可以提炼出汽油、柴油等,从而应用在汽车以及机械中的运转,而且石油提炼出来的煤气也给现在的家庭以及工业燃料都带来了一定的好处。由此可见,石油的到来对于人们的生活以及我国的发展都有着良好的影响力。当然,在石油钻进领域定向井轨迹技术的发展也逐步得到了相应的提升。本文也将针对石油钻井定向井轨迹控制技术进行相关的阐述以及分析。