稠油热采井补贴管管柱界面粘脱分析与防治

稠油井注汽热采过程中,热应力易使补贴管与水泥环之间出现微裂缝、微环隙,致使界面出现粘脱现象,进而导致补贴失效。为延长补贴管使用周期,首先基于井下管柱三轴热应力理论与界面破坏准则,运用ABAQUS有限元软件建立热采井补贴管热力耦合三维有限元模型,模拟实际注蒸汽热采过程,得出补贴管-水泥-旧套管-水泥-地层系统的温度场、应力场分布规律及补贴管界面粘脱情况,并研究不同注汽温度、注汽压力、胶结强度等因素对补贴管界面黏结状态的影响;随后将预应力技术应用于补贴管二次固井过程中,并在不同工况下将施加预应力技术前后补贴管界面粘脱状态进行对比,界面粘脱长度显著降低;最后确定了不同温升条件下的预应力施加值,为二次固井与套损治理提供指导意义。

钢制金属I型夹芯板界面疲劳脱粘特性分析

[目的]针对金属I型夹芯板界面的脱粘失效破坏,开展金属夹芯板界面疲劳脱粘特性分析。[方法]基于内聚力模型理论,考虑时间历程、三维结构节点多自由度的损伤演化方程与收敛判定准则,开发适用于三维复杂结构的界面疲劳脱粘模拟程序;与焊接接头脱粘实验结果进行对比,验证所开发程序的准确性,并进一步对钢制金属I型夹芯板的界面疲劳脱粘行为进行数值模拟。[结果]结果显示,所开发的三维界面疲劳脱粘数值模拟程序与焊接接头脱粘实验间最大的模拟误差仅为14.05%;I型夹芯板承受面外载荷时,夹芯板界面处的脱粘破坏主要表现为沿焊缝方向的表面裂纹扩展,当裂纹扩展至夹芯板长度的70%左右时,裂纹开始贯穿腹板形成贯穿裂纹。[结论]所开发的三维复杂结构界面疲劳脱粘程序可以实现对金属夹芯板界面疲劳脱粘寿命的有效评估,对实际工程应用具有一定的指导意义。

基于改进Elman神经网络的CFRP补强钢板界面脱粘预测研究

针对碳纤维复合材料(carbon fiber reinforced polymer, CFRP)补强钢结构出现内部界面脱粘损伤后难以观测的问题,结合Lamb波检测方法和神经网络提出了一种界面脱粘预测方法。搭建了基于Lamb波的CFRP补强钢板信号分析试验平台,利用ABAQUS软件建立了CFRP补强钢板的机电耦合有限元模型,并通过试验验证了有限元模型的准确性。将长方形和圆形两种脱粘形状的信号在时域和频域内进行分析,基于自适应遗传算法改进的Elman神经网络建立了CFRP补强钢板脱粘预测模型,并将与脱粘面积相关性较高的信号特征数据作为预测模型的特征数据。对预测模型进行性能测试,脱粘形状为长方形和圆形预测值的平均绝对百分比误差分别为3.03%和8.06%,结果表明改进的Elman网络对于脱粘损伤具有较好的预测精度。

基于Mori-Tanaka有限元法的粘弹复合推进剂非线性界面脱粘

为了研究复合推进剂基体的大应变粘弹性和界面的非线性脱粘,将Mori-Tanaka法和有限元数值求解相结合,提出了一种Mori-Tanaka有限元法。同时,为验证该方法的有效性,针对推进剂夹杂随机填充的特点,提出了一种含非线性界面脱粘的数值仿真法。最后以某推进剂配方为算例,对两种方法的计算结果了进行比较。结果表明,两种方法结果接近,从而验证了Mori-Tanaka有限元法的有效性,且该方法计算量小,极大的提高了计算效率。两种方法的提出,可以有效的用来分析界面对推进剂力学性能的影响。

基于内聚力模型的圆形夹杂与基体界面渐进脱粘分析

采用ABAQUS中基于内聚力模型的Surface-based cohesive方法,对圆形夹杂和基体的二维界面脱粘问题进行了数值分析,通过数值模拟再现了界面的脱粘过程和多个夹杂相互作用对脱粘过程的影响。模拟结果表明,其加载过程的力学行为可划分成3个阶段:无脱粘阶段、渐进脱粘阶段和完全脱粘后。对颗粒复合材料界面脱粘的研究有一定的理论和工程参考价值。

固体发动机包覆层与推进剂界面脱粘裂纹稳定性分析

为了判断固体发动机药柱包覆层与推进剂界面脱粘裂纹在燃气内压和轴向过载联合作用下的稳定性,以翼锥药型并含前后伞盘的固体发动机为例,应用有限元方法,建立界面脱粘的三维有限元计算模型,在界面脱粘裂纹尖端设置三维奇异裂纹元,模拟裂纹扩展。通过在包覆层与推进剂界面上设置不同深度的脱粘,分别计算不同深度时脱粘裂纹的应力强度因子,得到裂纹应力强度因子随脱粘深度的变化规律,由此判断裂纹的稳定性。

改进的Mori-Tanaka法在复合推进剂非线性界面脱粘中的应用

针对复合固体推进剂基体的大变形和界面的脱粘问题,对Mori-Tanaka法进行了改进。同时,为验证该方法的有效性,针对推进剂颗粒随机填充的特点,提出了一种含非线性界面脱粘的数值方法。最后以某推进剂配方为算例,对2种方法的计算结果进行了比较。结果表明,2种方法结果接近,从而验证了改进的Mori-Tanaka法的有效性,且改进的Mori-Tanaka法计算量小,极大地提高了计算效率。

含界面脱粘三维五向编织复合材料单向拉伸损伤失效机理研究

建立了含界面脱粘的三维五向编织复合材料单向拉伸损伤分析有限元模型。将Tsai-Wu强度准则用于纤维束损伤判断并确定材料失效模式,结合Murakami损伤张量表征材料各向异性损伤,根据失效模式进行材料性能退化;界面相和基体分别采用Quads准则和Mises准则作为失效判据,引入刚度折减;建立了五向编织复合材料的损伤预测模型。模拟了典型编织角材料的细观损伤起始、扩展和最终失效过程,分析了材料的细观损伤失效机理,并基于所得应力应变曲线预测了材料的拉伸强度。数值结果与试验结果基本吻合,说明了损伤预测模型的合理有效性。

固体火箭发动机界面脱粘切向CT检测

为了实现固体火箭发动机界面脱粘的快速检测,研究了窄角扇束工业CT检测固体火箭发动机界面脱粘的扫描方案和图像重建算法,提出了平移/旋转和只旋转扫描方案。采用窄角扇束工业CT,对某型固体火箭发动机进行扫描,并采用滤波反投影算法、凸集投影法和基于凸集投影的总变差最小化方法,对获得的切向投影数据进行重建。重建结果表明,平移/旋转扫描方式较只旋转扫描方式更适合该窄角扇束工业CT检测固体火箭发动机的界面脱粘。基于凸集投影的总变差最小化方法重建的图像质量优于滤波反投影算法和凸集投影法重建的图像质量,能够满足固体火箭发动机脱粘缺陷的检测要求。

固体发动机界面结构试件脱粘健康监测研究

以复合材料壳体和绝热层脱粘模型试件为对象,利用粘贴于壳体外表面的压电主动激励传感器,基于高频机电阻抗方法,对模拟药柱/绝热层界面脱粘的结构健康状态监测进行了数值仿真和实验研究,得出了不同脱粘损伤工况下的导纳频谱曲线,计算了能表征脱粘程度的平均绝对偏差损伤指标。结果表明,高频机电阻抗方法可利用粘贴于壳体外表面的压电传感器有效地识别内部结构的界面脱粘,相比于传统检测方法,能实现实时的结构健康监测,损伤指标能量化表征脱粘程度,实验采用的两种压电传感器中,MFC传感器较PZT传感器更适合于曲面固体发动机壳体脱粘检测,为开展实际工况下的固体发动机药柱结构界面脱粘损伤监检测工作提供理论与技术支撑。

脆性基体复合材料裂尖邻域夹杂—基体界面脱粘发展的数值模拟

夹杂—基体界面脱粘是脆性基体复合材料在拉伸载荷下的主要损伤机制之一。同时,材料内部裂纹尖端附近区域因应力集中,往往具有相对较高的损伤可能性。文中提出一种以一类包含"非均匀相"的解析胞元为基础的数值方法,以考察脆性基体复合材料内部裂尖临域夹杂脱粘的发展以及此过程中应力强度因子的变化。该方法分别应用含夹杂与含裂尖的解析胞元,以精确描述夹杂—基体界面与裂纹尖端附近的高梯度场函数,并利用Weibull概率函数控制加载过程中夹杂脱粘的发生。应用此方法可方便地建立复合材料内部裂尖附近细观结构的有限元模型,预测各夹杂依次发生脱粘的过程,并获得夹杂脱粘概率与裂纹场应力强度因子随载荷的发展规律。根据模拟结果,详细讨论材料各方面性质对于裂尖附近区域力学行为的影响。

复合固体推进剂非线性界面脱粘的力学性能研究

复合固体推进剂是高体积分数的颗粒填充材料,因此建立细观力学模型对于研究其力学性能具有十分重要意义。应用细观力学的Mori-Tanaka方法研究了推进剂本构关系,其中推进剂颗粒与基体的界面粘接律采用抛物线型假设。通过算例证明抛物线型粘接律能更好模拟推进剂颗粒与基体的非线性脱粘行为,并且研究表明推进剂中颗粒大小、体积分数以及颗粒基体界面间的最大粘接应力对其力学性能有明显影响。

界面脱粘对陶瓷基复合材料疲劳迟滞回线的影响

采用细观力学方法对脆性纤维增强的陶瓷基复合材料拉-拉疲劳载荷下应力-应变迟滞回线进行了研究,将拉梅公式与库仑摩擦法则相结合分析了界面脱粘区以及粘结区复合材料细观应力场,根据卸载与重新加载时纤维相对基体滑移机制,分析了加卸载纤维轴向应力分布,结合断裂力学界面脱粘准则确定了初始加载界面脱粘长度ls、卸载界面反向滑移长度y以及重新加载界面滑移长度z′,讨论了界面脱粘能和界面摩擦系数对初始界面脱粘、卸载界面反向滑移、重新加载界面滑移以及加卸载迟滞回线的影响,并与Pryce-Smith模型和试验数据进行对比表明:该文模型与试验曲线吻合的较好.

聚丙烯单丝与水泥石界面脱粘强度及其影响因素

采用纤维单丝自水泥基体中拔出方法研究了聚丙烯纤维单丝与水泥石之间的界面脱粘强度及其影响因素 .结果表明 :①随聚丙烯纤维单丝埋入长度的增加 ,界面脱粘强度逐步下降 ;②经NaOH或HCl表面处理 ,可使界面脱粘强度得到提高 ;③随着m (W ) /m(C)的增大 (在 0 .2 8～ 0 .4 4范围内 ) ,界面脱粘强度随之增大 ;④界面脱粘强度随标养龄期的增加而发展 。

含界面脱粘及表板基体开裂损伤的复合材料夹层板非线性稳定性的研究

本文作者基于“zig- zag”模型和 Mindlin一阶剪切变形板理论 ,推导了复合材料夹层板屈曲分析的有限元列式 ,在该列式中考虑了面板的横向剪切变形和芯体的面内刚度对夹层板力学性能的影响。针对具有面板和芯体间界面脱粘和纤维增强树脂基体微裂纹损伤的夹层板损伤特征 ,分别提出了分层模型和多标量损伤模型 ,并推导了多标量形式的损伤本构关系。采用修正的 Newton- Raphson迭代格式求解含损复合材料夹层板的非线性稳定性性状。通过算例研究了脱粘面积、基体的损伤演化、表板的铺设方式及载荷形式对复合材料夹层板屈曲性态的影响。本文作者给出的有限元模型和结论 ,对复合材料夹层板结构设计的损伤容限的制定具有一定的参考价值。

有界面脱粘时颗粒增强金属基复合材料的弹塑性性能分析

基于Mori-Tanaka理论和Eshelby等效夹杂理论,假定基体和增强相界面结合完好,推导出在力的边界条件下两相复合材料各组成相的应力、应变以及复合材料的体平均应变和应力,并考虑了基体和增强颗粒热膨胀系数引起的热应变以及各相塑性应变的影响。在此基础上,假定基体和复合材料均为各向同性材料,颗粒仅产生弹性变形,基体产生弹塑性变形且满足Mises屈服准则和等向强化准则,由颗粒所受的拉应力控制界面的脱粘,脱粘概率由Weibull分布函数来描述,脱粘后的颗粒等效为孔洞,采用割线模量法讨论了球形颗粒增强金属基复合材料有界面脱粘时的弹塑性性能,理论预测与实验结果吻合较好。

火箭发动机界面脱粘分析及检测新方法

对引起固体火箭发动机粘接界面脱粘的原因 (外部载荷及推进剂老化和界面迁移 )进行了分析 ,并对近几年发展起来的用于检测发动机界面脱粘卓有成效的无损检测新方法 。

炭黑颗粒填充橡胶复合材料界面脱粘数值分析

利用双线性内聚力模型对炭黑颗粒填充橡胶复合材料的界面脱粘现象进行模拟仿真.应用数值分析方法,以基于内聚力模型的界面单元来构建界面相,研究了不同炭黑颗粒形状、炭黑弹性模量、炭黑体积分数和最大界面粘结强度对炭黑颗粒填充橡胶复合材料界面脱粘过程的影响.模拟结果表明:光滑的颗粒表面,较小的弹性模量,减小炭黑体积分数以及增大界面粘结强度,能够避免界面脱粘现象过早发生.

含界面脱粘压电复合材料层合板的非线性动力稳定性分析

基于Reddy提出的板高阶剪切变形简化理论,研究了含界面脱粘损伤压电复合材料层合板非线性动力稳定性问题。首先,建立了分层模型,推导了考虑几何非线性、阻尼效应、纵向惯性力和力-电耦合效应的Mathieu方程,并且给出了该方程解的解析表达式。其次,通过典型算例讨论了界面脱粘损伤以及反馈控制力对该层合板动力不稳定区域、纵向、横向共振频率和最大"牵引"深度的影响。由典型算例讨论可知:随着层合板界面脱粘损伤的扩大,其动力稳定性能逐渐减弱,其中在损伤较小时,反馈控制力对智能结构几乎没有影响;而在损伤比较大的情况下,反馈控制力将能有效地减少动力不稳定区域重合面积。

一种新的基体损伤与界面脱粘理论分析模型

利用剪切滞后法 ,给出一种新的基体损伤模型 ;利用 J积分理论 ,给出一种新的由基体裂纹导致的纤维 /基体界面脱粘裂纹损伤模型。理论分析和数值计算得到了一些关于纤维增强复合材料强度和损伤有参考价值的结论 ,并对复合材料中一些常见的损伤破坏形式进行了定性的解释 ,由此表明本模型的可行性。