基于有限元数值方法的钻杆天线磁芯槽优化研究

针对某型石油钻杆天线磁芯槽优化设计问题,依据工程实际提出了磁芯槽的优化原则,通过有限元数字仿真结果,对某型钻杆天线磁芯槽在槽的结构尺寸和槽的数量等参数进行了优化,获取了该型钻杆天线磁芯槽的最佳结构尺寸和天线磁芯槽数量。所得方法与结论可为磁芯槽的数值仿真,以及钻杆磁芯槽结构与数量优化设计提供理论与技术参考。

一种计算接触碰撞的有限元数值方法

提出一种提高接触碰撞数值分析效率的有限元数值方法 .首先把碰撞接触弹性物体的位移在其模态空间展开 ,把接触点对的位移分别用其模态表示 .建立了碰撞弹性体接触的增量动力学方程 ,运用虚脉冲积分法 ,把碰撞弹性体接触的增量动力学方程表示成显示的、无条件的、精度高的积分形式 ,对其进行积分计算 .以球撞击四边简支弹性板为例 ,进行了数值分析 ,分析表明此法计算效率高。

基于不同破坏准则的边坡稳定性有限元数值分析

文章基于主应力等差圆提出了一种实用的屈服准则,并将这一准则与强度折减弹塑性有限元数值分析方法相结合,进行了边坡的稳定性分析。对于算例边坡,对比计算与分析表明,利用这种屈服准则所求得的边坡稳定安全系数,与简化Bishop法的计算结果基本一致。

合成孔径聚焦超声成像的有限元数值仿真

基于有限元数值方法,通过COMSOL Multiphysics软件,从二维角度建立超声相控阵合成孔径聚焦技术(SAFT)仿真成像几何模型,计算得到16阵元OPCM正交异性超声相控阵探头在不同时刻的声场分布图、缺陷回波信号图和缺陷成像,并与超声相控阵仪的实验成像结果作对比,验证了仿真模型的正确性.

孔洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究

为揭示孔洞形状对层状岩石力学性质和破坏模式的影响,采用有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)开展系列数值模拟研究。首先,阐述FDEM模拟层状岩石的基本原理,然后,开展不同层理倾角完整试样的单轴压缩模拟,并与试验结果进行对比验证。最后,对含有圆形、椭圆形、三角形、矩形和方形孔洞的层状岩石试样(β为0°、30°、45°、60°和90°)进行单轴压缩模拟研究。研究结果表明:对于不同孔洞形状的试样,抗压强度和试样破坏程度随层理倾角的增大呈V字型变化趋势,且均在层理倾角为0°时抗压强度取得最大值,在90°时破坏程度最为严重;孔洞的存在严重削弱了试样的力学性能,且削弱幅度与孔洞形状密切相关,其中方形和圆形孔洞对抗压强度的削弱能力最弱。将含不同形状孔洞试样的破坏模式随层理倾角的变化主要分为穿层理面拉剪混合破坏(β=0°)、沿层理面与穿层理面混合拉剪破坏(β=30°)、沿层理面剪切破坏(β=45°和60°)和沿层理面拉剪劈裂破坏(β=90°)。

超前开挖距离对大跨度小净距隧道稳定性影响的有限元分析

小净距双孔隧道开挖过程中两孔之间的相互耦合作用是施工过程十分关心的问题,其相互影响与围岩类别、隧道跨度、隧道间距、开挖和支护方式有关。利用ANSYS有限元软件对重庆花土岗隧道开挖过程进行了数值模拟,计算了在两孔开挖方向上相距分别为10 m,30 m,50 m时,开挖对地表沉降、围岩变形和围岩应力的影响。研究表明,先行洞超前开挖距离的增大有利于隧道围岩的稳定,对本隧道采用超前开挖30 m的施工方案是可行的;基于ANSYS有限元对开挖过程的数值分析结果,指出小净距双孔隧道施工过程中重点监控与关注的位置。本文的分析方法和计算结果对小净距隧道设计、施工具有一定的参考价值。

软弱岩脉对某电站隧洞影响的有限元计算分析

某电站尾水隧洞具有埋深大、地质条件复杂、洞室段分布有宽度较大的软弱岩脉等特点,软弱岩脉的影响导致围岩稳定性问题异常突出,需要计算评价其稳定性。基于ANSYS软件,采用有限元数值方法分别对岩脉分布在隧洞顶部、侧墙及底部时对隧洞的影响进行了分析,并采用有限元强度折减法对开挖支护后隧洞安全性进行评价。数值计算结果表明,岩脉位于隧洞顶部及底部时仅对局部变形和应力有较大影响,对围岩整体稳定性影响较小;而当岩脉在隧洞侧墙位置时围岩整体稳定性大大降低,因此需在施工中对侧墙分布有软弱岩脉的洞室段加强支护。

预应力管桩承载力性状的有限元计算分析

基于有限元数值方法,分析预应力管桩桩与土之间作用机制时采用荷载传递法,对Bowles方法进行改进,避免了需现场测量的限制。应用Fortran软件编制预应力管桩单桩计算程序,通过多层土体实例计算,其结果与静载试验结果基本吻合,说明其用于分析预应力管桩承载力性状具有一定的合理性,对预应力管桩工作性状研究和工程应用具有一定的参考价值。

基于FDEM数值模拟的软岩隧洞大变形预测

软岩隧洞收敛变形量预测对隧洞施工方法、设备选型和支护设计具有重要意义。采用有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)对软岩隧洞掘进过程开展了模拟研究,并调研了地应力量值对隧洞收敛变形量的影响。结果表明:隧洞大变形机理为开挖卸荷引起径向应力降低、切向应力升高,升高的切向应力造成围岩发生共轭剪切破坏,并持续向深处完整围岩扩展,深部破裂块体对浅部碎裂岩块的接触挤压产生宏观空隙,造成体积增大,发生具有碎胀效应的挤压大变形;随着围岩强度应力比的降低,围岩收敛变形量呈指数函数增大,相关系数高达0.996,为软岩隧洞收敛变形量预测提供了经验公式。

经颅直流电刺激治疗时颅内电场数值仿真

明确经颅直流电刺激(tDCS)治疗时颅内电场数值分布,有助于准确控制治疗处方剂量,确保颅内目标区的电场能够高于有效刺激阈值,提高治疗处方对病人治疗的有效性。本文采用商用工具软件COMSOL,完成颅内电场边值问题有限元数值解,计算出了tDCS治疗时颅内电场强度分布,并以图形化显示治疗处方在目标区域电场剂量的有效数值。本文介绍的方法可用于tDCS治疗处方方案优化研究,也可用于分析其它电刺激治疗是否形成有效刺激的电场强度。

某钻杆典型复合载荷工况下结构完整性分析

为了便于发现和解决作业过程中可能发生的钻杆损伤或失效等结构完整性破坏问题,采用有限元数值方法构建了某型号钻杆的三维模型,根据该钻杆实际工作情况,分别取压扭、压弯和压扭弯3种典型复合载荷工况,又分别在2种钻压、2种扭矩和3种弯曲载荷组合的工况下,仿真获取了钻杆的变形场、von Mises应力场和von Mises应变场分布,由此确定了该型钻杆的刚度与强度,进而评估钻杆的结构完整性。分析结果表明:在各种压扭组合载荷工况中,该钻杆的最大变形率为0.08%,最大von Mises应力位于钻杆后端仪器舱穿线孔壁处,屈服安全系数为1.56;在各压弯和压扭弯组合载荷工况时,其最大变形率分别为2.25%和2.28%,最大von Mises应力均位于前端仪器舱穿线孔壁处,屈服安全系数分别为1.94和1.70。该型钻杆的结构完整性满足要求。所得方法与结论可为钻杆的数值计算以及结构完整性分析提供理论与技术参考。

ROAST软件定量分析tDCS治疗过程中电极位置误差影响

目的:用计算机模型工具来研究经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)临床治疗问题,将真实体积逼近模拟经颅电刺激法(realistic volumetric⁃approach to simulate transcranial electric stimulation,ROAST)以观察tDCS临床治疗过程中的电极位置误差,并从电极位置误差定量分析tDCS临床疗效性问题。方法:以F3、F4位置治疗抑郁为例,仿真计算颅内靶区所激励电场剂量,对比tDCS治疗电极位置误差对颅内治疗靶区电场剂量产生的影响,并给出施加2 mA和4 mA电流时电场剂量变化曲线。结果:仿真显示32种物理位置误差,矩形电极,圆形电极分别造成电场剂量变化是-10.3%~72.4%,-12.9%~11.3%,既有减少也有增加;此结果正是由于大脑皮质具有非均匀性。当电场剂量减少时,颅内靶区会出现小于有效电场剂量的情况,因此有可能出现tDCS临床治疗疗效不好。仿真还发现当tDCS施加4 mA时,颅内靶区均会大于有效电场剂量,且32种误差位置在颅内靶区电场剂量变化规律和施加2 mA时基本一致,电场剂量变化程度与施加电流大小基本无关。结论:ROAST可为临床一线医生寻找tDCS治疗的个体剂量和优化方案。

常见螺旋桨材料空蚀特性分析

为了掌握常见螺旋桨材料在不同空蚀阶段的体积损失规律及形貌变化特点,本文借助磁致伸缩超声振动空蚀仪对螺旋桨常用材料镍铝青铜、黄铜H62、铝合金6061-T6开展空蚀试验,记录质量、空蚀表面形貌变化。基于试验数据,分析不同空蚀阶段的规律特点,通过改变空化强度,观察空泡溃灭程度对空蚀不同阶段的影响。借助有限元数值技术方法反演空化冲击载荷,利用空化冲击载荷与空蚀深度的关系,初步预报NACA0015水翼表面空蚀深度分布。结果表明:不同空蚀阶段持续时间不仅仅取决于材料本身,还与空化强度有关;以黄铜H62为例,计算得到了NACA0015水翼吸力面的空蚀深度分布,最大空蚀深度为45μm。本研究为考虑材料性质影响的水翼空蚀深度数值预报提供了理论基础。

马蹄形隧洞考虑支护滞后过程的应力分析

基于平面弹性复变函数中的保角变换方法,推导出带有衬砌的非圆形隧洞在原始地应力作用下的应力解析解。根据衬砌内边界的应力边界条件及围岩衬砌接触面上的应力和位移连续条件,获得求解围岩和衬砌解析函数的基本方程,计算了围岩和衬砌中的应力和位移。在求解过程中,考虑了支护滞后于开挖的力学过程,并认为围岩和衬砌之间紧密接触,不会相互分开和相对滑动。以马蹄形隧洞为例,获得了围岩开挖边界和衬砌内外边界的切向应力及围岩与衬砌接触面上的接触应力分布规律,并与ANSYS数值方法结果对比,算例表明两种方法的计算结果吻合很好。

利用三维数字岩心计算龙马溪组页岩等效弹性参数（英文）

弹性参数在甜点区预测和页岩气的开发过程中扮演着重要的角色,因此研究等效弹性参数随页岩气储层属性的变化是一项很有意义的工作。研究中我们用X射线CT扫描技术获得了较为精确的页岩样品微观结构图像。从这些图像中,我们可以获得孔隙度和矿物的详细情况,据此,我们构建了三维数字岩心,并应用有限元法对弹性参数进行了数值模拟,其间深入考察了子样选取、网格划分、求解器类型以及边界条件等,该方法易于区别不同的矿物及其百分含量。本文重点研究孔隙度和干酪根含量对弹性参数的影响,计算结果表明,孔隙度和干酪根含量对弹性性质有较大的影响,当孔隙度和干酪根含量增加时,弹性模量降低,且当孔隙度小于0.75%左右、干酪根含量大于3%左右时弹性参数减小速率较缓。因为孔隙度仅仅为4.5%,孔隙中填充油或气对弹性参数的影响甚微。不同岩心样本具有不同的孔隙度和干酪根含量,传统岩石物理实验不仅昂贵而且费时,而数值模拟是基于数字岩心来计算弹性参数,更加经济、方便。本研究证实了将页岩样品的微观结构图像与弹性模量的计算相结合来预测页岩弹性参数的可行性。

基于微观损伤机理的延性裂纹扩展行为分析

在考虑材料内部塑性损伤的基础上,通过有限元数值方法(特殊单元模型法),编制了求解韧性断裂特征参量的程序,模拟材料的韧性断裂过程。通过单轴拉伸试验的模拟结果,得出反映材料微观损伤的控制参量,再根据该参量对同种材料的标准三点弯曲试验进行定量预测,即实现从一种试验结果预测同种材料的其它试验结果。结果表明,在韧性裂纹扩展时,考虑塑性损伤的特殊单元模型能够很好地描述材料的韧性断裂过程,可以实现同种材料不同试验间相互预测的目的。

基于离散裂缝模型的复杂裂缝系统水平井动态分析

针对目前人工压裂裂缝存在倾斜、分支及不对称分布等情况,提出复杂裂缝系统下水平井渗流数值计算方法。首先对裂缝系统进行显式处理,分别建立基岩和复杂裂缝系统的数学模型,利用有限元方法对模型进行求解,并基于离散裂缝模型对裂缝系统进行显式降维处理,以减少数值计算量。与Odeh和Zerzar模型对比验证数值算法的正确性,并对复杂裂缝系统下的水平井进行计算。结果表明:压裂水平井除常见的4种流动形态(不包括外边界),早期还可能存在裂缝内的径向流动;定产量生产时早期裂缝内径向流动不再出现,且外部裂缝产量所占比例增大;水平井定井底流压生产时,裂缝分支增加了储层改造体积,能大幅度提高压裂水平井产量。

季节冻土区基床改性填料与保温护坡对路基温度场的影响分析

高速铁路对轨道平顺性具有非常高的要求,在季节冻土区建设的铁路面临着路基冻胀问题,由路基冻胀引起的轨道变形严重影响了高速铁路运行的安全性与舒适性.通过对比其他学者关于路基冻胀的处理与防治方法,提出了采用水泥稳定级配碎石代替普通级配碎石作为基床表层填料,同时在路基边坡铺设保温护坡的方法来防治路基冻胀.根据哈大客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值仿真方法分析路基基床表层采用水泥稳定级配碎石和在路基边坡加设保温护坡后对路基温度场的影响.并将分析结果与哈大客运专线的现场实测结果进行了对比,验证了有限元数值仿真结果的可靠性,分析结果表明:在基床表层换填水泥稳定级配碎石,同时在路基边坡铺设3.0 m高、2.5 m宽的保温护坡后可以有效缓解路基的冻胀,与无任何保温措施的普通路基相比,路基中心处的最大冻结深度减小了0.5 m,路肩处的最大冻结深度减小了1.1 m.

高地应力岩体多孔爆破破岩机制

深部岩体爆破破岩是爆炸荷载与高地应力共同作用的结果。基于一些简化假设,建立了一个高地应力岩体双孔爆破计算模型,采用光滑粒子流体力学-有限元方法耦合数值模拟方法,研究了高地应力作用下炮孔间裂纹的传播及贯通过程,分析了炮孔周围应力场动态演化过程与分布特征。研究结果表明:爆破引起的岩体开裂主要是环向动拉应力所致,地应力对岩体的压缩降低了炮孔周围环向动拉应力、缩短了环向动拉应力的作用时间,因而对爆炸致裂起抑制作用;静水地应力条件下多孔爆破时,垂直于炮孔连线方向传播的爆生裂纹更易受到地应力的抑制;对于高地应力岩体爆破,炮孔间的裂纹扩展长度随地应力水平的提高而减小,裂纹主要沿最大主应力方向扩展,因此沿最大主应力方向布置炮孔、缩短炮孔间距有利于炮孔间裂纹的连接贯通,形成良好的爆破开挖面。

基于喷水强度均匀分布的多级阻尼集管设计

利用计算流体动力学(CFD)和有限元数值模拟方法(FEM),研究了阻尼板数量和阻尼孔布置方式对集管管内流动和喷水强度分布的影响.对无阻尼板、一道阻尼板对称结构、两道阻尼板对称结构、一道阻尼板非对称结构等四种集管阻尼形式的喷水强度及其偏差进行了比较,两道阻尼板对称结构阻尼的集管喷水强度相对偏差最小.