基于管柱动力学的特深井通井组合刚度评价方法与应用

我国特深井钻井正处于快速发展阶段,受井眼尺寸大和深度深的影响,钻井过程中极易出现微井斜、扩径缩径和井壁台阶等,导致套管下入困难,因此通井钻具组合评价尤为重要。目前,现场使用的评价方法常忽略了管柱下入过程中与井壁的碰撞和变形,导致通井效果时好时坏。为了辅助现场施工,文章基于全井管柱动力学模型和HHT-α数值计算方法提出了一种能够模拟管柱下入的动态过程的通井钻具组合的评价方法,该方法考虑了实测井眼轨迹、井眼扩大率和下入阻力等要素。通过某特深井三开下套管前的钻具组合进行实例计算分析,表明井眼扩大率和套管串下入阻力对通井能力和套管下入影响较大,当井眼扩大率较小且套管串下入阻力较大时,需要使用刚度较大的多扶正器通井钻具组合。本方法可以实现实测井况条件下比较精准的刚度对比模拟,也成功指导了案例井?486 mm套管的安全下入。

盾构隧道下穿高铁路基变形影响规律及加固优化研究

为研究盾构隧道下穿高铁路基施工时对路基的影响规律,探究在隧道开挖过程中运用不同加固措施对既有高铁路基的影响程度。以西安市某地铁工程为依托,利用室内模型试验对比分析盾构隧道下穿高铁CFG桩复合路基过程中,无加固、超前管幕工法加固与地表袖阀管注浆加固3种隧道施工条件下,地表沉降值和沉降槽的空间分布规律;采用数值模拟分析验证超前管幕工法加固工况下盾构隧道下穿时,高铁路基、道床的位移变化规律。室内模型试验结果表明:盾构隧道施工中采用管幕工法加固后复合地基正上方的地表沉降最大值减小28.6%,采用袖阀管注浆加固后减小18.0%,并且采用两种加固措施后的CFG桩最大附加轴力均减小20%以上。因此,在隧道掘进过程中采用一定加固措施,可改善围岩稳定性,其中管幕工法加固效果更为显著。数值模拟分析表明:采取管幕工法加固施工与不采取加固措施相比,路基最大沉降量减少33.78%,道床最大沉降量减少45.08%。因此,管幕工法加固能够有效减小对既有高铁路基的影响。

S135钻杆接头螺纹三维参数化建模及力学特性分析

S135钢级钻杆在矿井勘探、探放水、瓦斯抽采等钻孔施工中得到了广泛使用。然而,由于钻杆接头螺纹承受轴向拉压、扭转、弯曲及其复合载荷的循环作用,导致接头螺纹的使用寿命远远低于其设计寿命,是整个钻杆结构中最薄弱的环节。因此,通过万能拉伸试验获得钻杆接头材料的力学性能参数,经计算转化得到其本构参数,对钻杆接头进行有限元分析。为了提高有限元分析效率,推导垂直于钻杆接头轴线的螺纹截面轮廓几何表达式,基于旋转、抬升、缩径和连接节点的设计思路,提出了一种考虑钻杆接头锥度和台肩的三维螺纹参数化建模方法,并根据单元和节点之间的关系开发了钻杆接头连接的参数化三维六面体网格建模程序,通过与交互式建模方法计算结果的对比验证了其有效性和可行性。此外,对上扣扭矩、压扭及压弯扭复合载荷作用下接头外螺纹的力学特性进行了分析。结果表明:3种工况下钻杆接头外螺纹上的应力近似呈现“浴盆”形态,第1螺纹牙上的应力最大;随着圈次的增加,螺纹牙上的应力迅速下降,最后一圈螺纹牙上的应力呈现上升趋势;在弯矩的作用下,螺纹牙上的应力具有非对称特征。在接头螺纹设计时,必须考虑井眼曲率的影响并且需要重点关注接头压缩边第1螺纹牙上的应力。

鄱阳湖区某典型圩堤堤基管涌发展过程试验研究

堤基管涌是造成鄱阳湖区圩堤险情乃至溃决的最主要原因之一,从机理上研究并揭示鄱阳湖区圩堤堤基管涌的致灾机制,对于应对管涌险情、科学开展应急抢险具有重要意义。基于鄱阳湖区某圩堤典型堤基结构,采用堤基原型土和自行设计制作的模型槽开展管涌物理模型试验,完整模拟了原型多层复杂堤基管涌发生、发展及致溃的全过程。结合试验现象对管涌发生和发展过程中的水力条件、堤基破坏机理和土体颗粒侵蚀速度等展开分析。研究结果表明,鄱阳湖区圩堤堤基结构中管涌破坏集中于下伏砂层,在渗透压的作用下上覆弱透水层被渗流击穿,于砂层与上覆层的接触面形成管涌通道后加速土体颗粒的侵蚀,最终导致堤基溃决;鄱阳湖区某典型圩堤堤基中夹于黏土层中的壤土层无法起到强弱透水层间过渡层的作用,土体颗粒侵蚀规律与无壤土过渡层的堤基结构相类似,形成表面管涌出口和堤基开裂的土体颗粒累计侵蚀量增长速率均低于0.1 g/s;该圩堤发生管涌的堤基平均总体临界水平坡降约为0.1。

3自由度钻杆振动系统的建模与仿真

多自由度阻尼的振动系统广泛存在于钻杆钻进系统中,选取钻杆作为关键研究对象并且每个零件都包含有一定的阻尼特性,能够实现对外界干扰的有效抵抗。当外部环境中的振动或冲击波作用于这些系统中时会产生振动,这种振动不仅会影响到单一元件的动态特性,而且会引起整个结构的共振。为了深入理解和分析这类振动系统,文中采用拉格朗日方程建立钻杆钻进系统的数学模型,进而描述系统各部件随时间的位移、速度和加速度等动态特性。基于MATLAB/Simulink仿真软件,运用状态空间方法进行了更为细致的建模工作。在模拟过程中能够精确地控制系统状态的变化,从而更好地捕捉到各种动态行为的细节。通过这种方式获得的数据,不仅揭示了系统内各元件在外部激励下的响应规律,也为后续的性能评估提供了有力的理论依据。仿真结果显示出,外部激励的幅值及其作用点的位置对于系统的动态响应有着显著的影响,特别是那些直接承受外部激励作用的元件,所受到的冲击尤为强烈。综上所述,通过对钻杆钻进系统的多自由度阻尼振动系统进行建模和仿真分析,不仅加深了对钻进作业中振动系统的理解,而且还为提高钻进效率和安全性提供了重要的技术支持。

基于三维流动的弯管模型的建立及流场分析

排气歧管是发动机的必要零部件之一,对发动机的性能有很大的影响。文章对排气歧管的弯曲管进行了研究,建立了弯管内气体流动的理论模型,利用FLUENT软件对弯管内气体流动状况进行了仿真,然后对两种弯曲管道(90°-56°管和90°-90°管)中的气体进行了对比分析。结果表明,90°-90°管道内的气体速度分布、压力分布和流线分布更为均匀,流动分离面积和涡流相对较小,速度均匀系数更接近于1,对柴油机进气的影响较小,柴油机的动力性能得以充分发挥。

矩形顶管临近地铁施工地表变形特性

伴随城市地下空间的利用与开发,对于矩形顶管工程的应用愈加广泛,为探究临近地铁隧道情况下,矩形顶管近距离施工时地表的变形规律,依托顶管工程,利用MIDAS-GTS-NX软件进行顶管施工全过程模拟,分析了各施工参数数值的改变对地表变形的影响。结果表明:(1)顶管顶进过程中,顶管机刀盘前方土体受挤压产生隆起变形,后方因地层损失以及出土卸荷而出现地表沉降,开挖面处地表隆起变形较大,地层扰动明显;(2)在一定范围内,增加掘进压力可以有效维持掌子面稳定,减小地表沉降,降低对周围建筑及临近地铁造成损害的风险;(3)增大注浆压力可以控制土体扰动,减小地表沉降,但本工程条件下,超过140 kPa会出现过度补偿作用,反而增加地表沉降;(4)摩阻力相对于掘进压力与注浆压力对地表变形的影响较小,但地表整体沉降反映出随摩阻力增大而增大的趋势。

二元堤基结构堤防管涌机理模型试验

为了科学解释二元堤基结构堤防管涌致灾机制并揭示其形成、演化过程和致溃规律,在考虑堤基强、弱透水层之间壤土过渡层作用的基础上,通过室内模型试验完整地模拟了二元堤基管涌从单个泡泉发展至管涌群并最终造成堤基塌陷溃决的全过程。试验结果表明:上部黏土及壤土层在渗流的顶托作用下向上隆起并在堤基内部产生层间水平渗漏通道,导致发生潜层砂沸,最终向上发展为表面砂沸的渗透破坏;二元堤基结构管涌发展可分为裂缝发展、潜层破坏、上覆层破坏、管涌通道上溯、堤基破坏和堤基溃决6个发展阶段;表面砂沸由潜层砂沸发展而来,潜层砂沸是由于土层内竖向坡降所引起的渗流力大于上部土体浮容重时造成的土层结构破坏所致,临界竖向坡降处于0.9~1之间;壤土层的存在会加快堤后自由边界区域管涌群的发展速度,但可以延缓管涌通道的上溯,对堤基具有保护作用。

3D打印技术在舰船管系三维建模设计中的应用

为提升复杂结构舰船管系的设计灵活性,研究3D打印技术在舰船管系三维建模设计中的应用。利用CAD软件建立舰船管系的二维模型,依据舰船管系三角面片的交线段,确定舰船管系的点、线、面关系,将其转换为舰船管系三维模型。将舰船管系三维模型,导入切片软件中,利用切片引擎运行3D打印切片引擎增强处理算法,切片处理舰船管系三维模型,输出舰船管系三维模型的Gcode代码文件。将Gcode代码导入3D打印机,采用Z字填充法填充舰船管系3D打印材料,实现舰船管系模型的3D打印。实验结果表明,该方法可以精准打印舰船管系三维模型,打印结果的尺寸偏差小,提升了舰船管系设计的灵活性。

一种简化的高温热管启动模型

热管堆具有体积小、结构紧凑、功率密度高和固有安全性好等优点,被认为是深空和深海任务中最有前途的候选之一。为了研究其启动特性,建立兼顾计算精度及求解效率的热管启动模型至关重要。本文在充分考虑吸液芯区工质的熔化及气液界面处的蒸发和冷凝现象的基础上,建立了基于二维导热的热管壁和吸液芯区热阻网络模型。对于蒸汽区,基于尘气模型(DGM),研究分析了两种不同模拟方式的求解精度和计算效率。通过对不同碱金属热管实验的模拟,验证了模型的准确性。结果表明,模型能较好地模拟高温热管的启动特性,简化的等效热阻模型具有更高的计算效率,其更适合于热管堆系统的启动特性模拟。

点载荷作用下聚乙烯燃气管道的损伤分析

通过单轴拉伸试验获得了聚乙烯(PE)材料弹性及屈服参数。建立了点载荷下的管-土有限元模型,研究了埋地燃气PE在点载荷下的力学响应,分析了点载荷尺寸、管道内压及管道直径的影响。基于DFDI(ductile failure damage indicator)模型,结合有限元仿真结果,对点载荷下的PE管进行了定量损伤计算。结果表明,与无点载荷管道的损伤结果对比可知,点载荷的存在增大了管道损伤;管道内压变化时管道损伤变化较大;管道直径变化时对PE管损伤影响较小,各管径下的损伤值都比较接近。

考虑管道自重荷载的埋地钢管结构计算方法

埋地钢管在重大引调水工程中应用越发广泛,作为整个工程的生命线,保证其结构安全至关重要。然而,目前埋地钢管的结构计算方法仍然较为粗略,常忽略管道自重荷载。针对此,采用理论分析方法,在Spangler模型理论基础上,构建出考虑管道自重荷载的新计算方法,并与传统计算方法和有限元法结果比较分析。结果表明:新计算方法仅需在原计算公式的分子项上增加管重项,较为简单方便;管道自重对变形增幅的影响基本上不超过20%,对管径大且埋深小的管道,应予以考虑,而对管径<1 m或埋深>4 m的管道,可以忽略;新计算方法与有限元法得出的变形结果规律性较好,一般情况下其计算精度较传统方法更高,并且同样适用于其他类型的埋地柔性管道。

脱空混凝土管道纵向力学行为及自膨胀高聚物注浆修复性能提升

为揭示脱空混凝土管道的纵向力学行为以及自膨胀高聚物外部注浆修复性能提升效果,开展了密实、脱空和高聚物修复混凝土管道现场足尺试验和三维有限元数值仿真,并通过试验结果对数值模型进行了验证。以不同管基状态下混凝土管道的截面纵向弯曲弯矩和管顶竖向位移为分析对象,讨论了脱空宽度和脱空长度对混凝土管道力学行为的影响规律,并引入纵向弯矩和竖向位移修复指数ξM和ξU,对高聚物注浆修复脱空管道的性能提升效果进行了量化表征。研究表明:脱空管道正负纵向弯矩分别分布在脱空两侧的相邻管段和接头,峰值分别位于SgL2、SgR2和SgL3、SgR3处;脱空管道纵向弯矩在SgL1和SgR1处随脱空宽度的增大而减小,其余测点处随脱空宽度的增大而增大,在整个纵向随脱空长度的增大而增大;不同脱空宽度和脱空长度管道的纵向弯矩在SgL1和SgR1以外均高于密实管道;与密实管道相比,脱空管道竖向位移和接头剪切位移的最大增幅分别为155%和230%;修复管道的纵向弯矩略低于密实管道,竖向位移略高于密实管道,纵向弯矩和竖向位移最大修复指数分别为76.5%和83.7%。

管幕和横梁作用下大断面开挖变形响应研究

基于管幕与横梁作用下大断面开挖相似模型试验,研究开挖引起的管幕变形和地表沉降变化规律.为充分研究参数变化对管幕变形和地表沉降的影响,运用有限元软件建立三维数值模型,以此模型为依据,分析管幕抗弯刚度和横梁抗弯刚度对管幕变形和地表沉降的影响,并根据模糊数学理论对最优刚度匹配进行研究.研究结果表明:管幕结构整体变形类似于“板”,且关于中间管幕对称,管幕跨中断面地表沉降呈“凹槽”型,符合Peck曲线分布;管幕变形和地表沉降均与横梁刚度和管幕刚度呈指数函数关系,且对横梁刚度变化更为敏感;管幕刚度与横梁刚度分别为0.5D和2K时,可以兼顾安全性与经济性.

舰船波纹管补偿装置等效仿真方法研究

波纹管补偿装置的应力分析是进行波纹管设计和寿命评估的重要研究手段。为简化波纹管仿真模型,提高仿真效率,研究了S型波纹管单波简化模型和对称简化模型在内压和弯曲载荷下的有限元仿真技术,提出模型简化方式、载荷施加方法。与整体模型仿真结果对比,采用单波简化模型和对称简化模型进行波纹管内压和弯曲载荷计算,可给出一致的仿真解,最大应力误差不超过1%,满足仿真分析需求。在进行S型波纹管受压和弯曲载荷下的仿真时,可充分利用波纹段波段的对称性和波形的对称性,使用单波简化模型和对称简化模型,提高计算效率,并可保证计算精度。

变电站变压器监测系统的研究

电力变电站是电力系统的核心组成部分,而变压器作为关键的电力设备,其运行状态对电网的稳定性和可靠性起着至关重要的作用。然而,变压器故障可能导致电力系统的严重问题,不仅影响电力供应的连续性,还可能对环境造成损害。因此,建立一套有效的监测系统,能够实时检测变压器的运行状况并预测潜在故障,对维护电力系统的安全和可靠性至关重要。研究首先利用Petri网建立传统变电站变压器监测系统的模型,然后分析其中存在的问题,通过增加相关库所和变迁,重新设计一个优化后的监测系统模型,这一模型允许更快速的故障诊断和更精准的运行状态监测,从而提高电力系统的可靠性。最后,在PIPE仿真软件中对优化后的模型进行实验仿真,验证此优化后模型的可靠性和有效性。

均匀流作用下柔性悬垂管涡激振动响应特性试验研究

温差能发电是近年海洋可再生能源研究的热点,悬垂取水管作为温差发电装置中提取深层冷海水的关键结构,其涡激振动响应特性尚不明确。本文开展了均匀流下悬垂管的涡激振动水池模型试验,利用光纤光栅应变传感器测量涡激振动应变响应,通过模态分析法、小波变换等数据处理方法研究悬垂管的幅值和频率特征。分析试验结果发现:均匀流作用下,悬垂管的涡激振动位移响应最大幅值主要位于悬垂管底部;柔性悬挂立管IL(in-line)和CF(cross-flow)主导频率基本满足二倍频关系,但是在模态转换的流速工况下会出现IL和CF方向主导频率相同的现象,同时伴随着明显的“行波”、“多频响应”以及“时间共享”特征;处理得到背景洋流作用下悬垂管的CF和IL方向斯特哈尔数分别为0.15和0.30,略小于以往两端铰支柔性立管试验结果,该值将为悬垂输水管涡激振动预报研究提供参数输入。

基于静态—动态变量解耦的城市积淹水深快速分析方法

随着全球气候变化和我国城镇化快速发展,极端暴雨天气防范应对已成为城市防汛工作的重点之一。极端降雨条件下的实时滚动洪涝风险分析可以为预报预警提供参考,增强决策的科学性,是防范洪涝灾害的有效方法。尽管传统基于水文水动力专业模型的仿真可以在精细网格上计算出洪水演进及退水的全过程,但精细网格数值计算往往需要消耗大量的算力资源,滚动洪涝预测预报的时效性往往达不到要求。通过建立城市洪涝淹没深度与降雨量之间的函数映射关系,提出了基于静态—动态变量解耦的动态水深高效插值方法,结合分布式数据库和并行计算技术,可以在极短的时间内提供与水文水动力专业模型模拟相对一致的结果。本研究以期为城市洪涝实时风险分析提供有效支撑。

基于YOLO模型的堤坝管涌监测智能识别方法

针对堤坝管涌现象的监测识别问题,提出一种基于YOLO模型的堤坝管涌识别方法。该方法通过引入改进的残差块及替换模型的激活函数来提升YOLO v3模型的网络性能,构建了基于堤坝管涌感兴趣区域提取的Piping YOLO模型来提取管涌感兴趣区域,并采用二维主成分分析方法提取管涌现象的特征,将其作为多权值神经网络的输入,经训练后实现管涌状态的分类识别。基于自主搭建的管涌渗漏试验平台建立了数据集并进行了试验验证,结果表明,提出的方法能有效识别堤坝管涌现象,在堤坝管涌无人巡检领域具有一定的应用前景。

新工科背景下管土作用创新实验教学平台设计

为推动深水复合柔性管道的设计和研究,依托重点科研项目成果,建立了管土作用创新实验教学平台。突出学生主体地位,通过文献调研、实验设计、实践操作和数值模拟,开展模块化实践教学,激发创新思维,塑造工程素养,促进对管土作用机理的探索与研究。创新实验教学平台的搭建,实现了理论实践、学科交叉及工程应用的有机结合,凸显了实验教学的工程性、实践性和探究性。