磁流变阻尼器Bingham力学模型改进及参数辨识

磁流变阻尼器不仅具有阻尼快速响应、良好的温度稳定性、内部结构简单等优势,而且可以通过调节控制电流使阻尼器的出力值连续变化,实现阻尼力可控。由于磁流变阻尼器阻尼特性与内部磁流变液的磁流变效应有关,具体表现非常复杂,现有力学模型目精度不足,无法精确描述磁流变阻尼器的阻尼特性。在磁流变阻尼器力学性能测试基础上,应用分段拟合函数方法同时结合反正切函数模型改进模型,并辨识改进后力学模型中各参数。将改进后的Bingham模型与实际测试出力值进行对比,结果表明改进后的Bingham模型能够很好地解决Bingham力学模型在非线性滞回阶段出力值曲线与实际测试数据不符的问题,改进后模型总体出力值曲线与阻尼器实际出力值基本相同,模型精度大幅提升。此种改进方法为磁流变阻尼器建立高精度力学模型提供参考。

基于甘蔗耕地黏土离散元参数标定的流变模型构建

针对华南宿根甘蔗的耕地土壤因多级复合团聚显现的逐层异构黏重性,为表征其特异性流变行为,该研究通过重黏土的离散元参数标定,构建团粒几何、力学属性多层演变的非匀质耕层模型,进而分析仿生壁板的推进阻力。结合休止角与三轴压缩试验及仿真结果,JKR表面能、恢复系数与动摩擦因数是影响重黏土流变响应的显著因子,不同耕层间参数差异明显。蕴含团粒级配分布、本征接触属性与黏聚特性的离散元模型具有表征多耕层复合流变性能的能力,通过三轴力学试验验证得到的本构响应偏差低于9.27%。采用该模型计算出的仿生耕作壁板推进阻力与土槽实测推进阻力之间的相对误差仅8.3%,表明对机具—土料互作关系的预测有效且较准确。研究结果可为触土部件适应性设计与动力学优化提供数据支持和模型参考。

基于机器学习的钻井液流变参数智能识别方法

钻井液流变性是钻井液流动和变形的特性,对于携带与悬浮岩屑、提高钻进速度至关重要,准确掌握钻井液流变参数是保证井眼清洁与高效钻进的前提。提出一种基于卷积神经网络(Convolu-tionalNeuralNetwork,CNN)的钻井液流变参数智能识别方法,通过磁力搅拌产生稳定的钻井液流动图像,利用多种数据增强方法增加图像数量并建立数据库,增强模型的鲁棒性和泛化能力。优化AlexNet卷积神经网络算法,构建钻井液流变参数识别模型。将数据库划分为训练集:验证集:测试集=7:2:1,对训练集进行迭代训练并通过验证集调整参数获得最佳拟合模型。此外,运用混淆矩阵、卷积核可视化技术和类激活技术(Gradient-weighted Class Activation Mapping,Grad-CAM)对模型进行多方位评估。结果表明:(1)钻井液流变参数识别模型对钻井液塑性黏度测试的宏精确率为95.2%,宏召回率为94.7%,宏F1值为0.95。(2)对钻井液表观黏度测试的宏精确率为91.6%,宏召回率为91.5%,宏F1值为0.90。(3)利用卷积核可视化技术和Grad-CAM对特征提取进行可视化处理,发现钻井液波纹形状和大小会影响模型流变参数识别准确度。(4)室内测试结果表明,该模型的测试误差为±2 mPa·s,在设计允许范围以内,具有较高的识别精确度和稳定性。所提出的钻井液流变参数实时智能识别方法可为安全、快速和准确地进行钻井液流变性测试提供智能化技术思路。

矿物掺合料和化学外加剂对胶凝材料浆体的流变参数的影响

基于最优化方法,给出使用同轴双圆柱流变仪来获取胶凝材料浆体的Bingham流变参数的途径;探究五种矿物掺合料(粉煤灰、矿渣粉、硅灰、石英粉、粉煤灰微珠)和两种化学外加剂(减水剂与引气剂)对胶凝材料浆体流变参数的影响。研究结果表明:矿物掺合料等体积替代水泥相对于等质量替代水泥,对降低浆体的屈服应力和塑性黏度有利。粉煤灰可降低浆体的屈服应力和塑性黏度;矿渣粉和石英粉可降低高水胶比浆体的屈服应力和塑性黏度,但增大低水胶比浆体的屈服应力和塑性黏度;硅灰可显著提升浆体的屈服应力;粉煤灰微珠可降低浆体的塑性黏度但增大其屈服应力。减水剂可降低浆体的屈服应力和塑性黏度;引气剂可降低浆体的塑性黏度。矿物掺合料和化学外加剂对胶凝材料浆体的Bingham流变参数的影响,取决于水胶比、矿物掺合料或化学外加剂的掺量、矿物掺合料颗粒粒径、粒形和水化活性等因素,因此使得胶凝材料浆体的流变参数随着矿物掺合料和化学外加剂种类和掺量的变化,表现出非线性特征。

含气量对混凝土流变参数及力学性能的影响

为了研究影响混凝土的流变参数,通过掺入引气剂改变混凝土含气量对混凝土流变性能及力学性能的影响进行分析。根据混凝土拌和物性能标准,利用混凝土流变仪、塌落度桶试验,测试混凝土的塌落度、扩展度、含气量以及流变参数,并对混凝土拌和物的流变学参数与力学性能进行分析。结果表明:在保证混凝土强度的前提下,掺用适量引气剂在混凝土拌和物内形成适量微小的封闭球状气泡,可以降低集料颗粒间的相互作用力(摩擦阻力),从而可降低屈服剪切应力和粘度、改善拌和物流变性能;引气剂掺量过大,混凝土强度下降明显。结合流变参数和抗压强度测试结果,引气剂掺量控制在0.1/10000~0.5/10000之间较为合适;提高混凝土含气量可以改善其流动性,降低泵送混凝土单位长度的压力损失。

基于Bingham模型的新拌自密实混凝土流变参数反演研究

目前测定新拌自密实混凝土流变参数的方法均存在各自的缺点,为了方便准确地测定流变参数,提出了新拌自密实混凝土流变参数正法反演的理论和方法:假定其流变模型为宾汉姆模型,将改进L-箱试验作为已知输入,新拌自密实混凝土在不同时间点的流动形态作为已知的输出,利用计算流体力学方法计算流动形态,加权最小二乘法建立目标函数,结合改进L-箱试验数据,采用坐标轮换法进行反演,得到了符合新拌自密实混凝土流动性的流变参数。

磁流变阻尼假肢膝关节的参数设计与特性研究

设计了一种基于磁流变阻尼器的假肢膝关节,利用拉格朗日理论建立假磁流变阻尼肢膝关节的动力学模型。对设计的磁流变阻尼假肢膝关节进行参数化设计,采用ADAMS仿真软件对参数化后的假肢进行仿真,分析了不同路面条件下假肢的驱动力矩和磁流变阻尼器的阻尼力。结果显示:在摆动期,磁流变阻尼假肢的驱动力矩发生了显著的变化,需要较大的驱动力矩。在摆动阶段,磁流变阻尼器的阻尼力较大,相对于平地行走和上楼梯而言,磁流变阻尼器输出的阻尼力在下楼梯时更大。因此,基于磁流变阻尼器的假肢膝关节为后续研究奠定了一定的理论基础,通过一系列的参数化设计,使得磁流变阻尼假肢膝关节满足性能要求。

螺旋管监测完井液流变参数的影响因素与计算方法

完井液流变参数的在线监测可为完井过程中井下复杂情况判断和井控风险的分析提供实时依据。在完井液流变参数的众多测量方法中,管流法容易实现实时在线测量,但由于存在管路过长,不易小型化和封装等问题,应用受到一定限制。以宾汉流体为例,基于Fluent软件模拟分析完井液在螺旋管和直管内流动压差的差异,明确螺旋管管径、节距和底径圆直径,完井液密度、流速和屈服应力对其流动压差的影响规律,回归建立完井液在螺旋管与直管中流动压差的转换模型,给出基于螺旋管流动压差的完井液流变参数计算公式。结果表明:螺旋管底径圆直径、完井液密度和流速这3项影响完井液流动离心力的参数与完井液流动压差非线性相关,其余各参数则与直管影响规律一致,呈线性相关关系。

钻井液流变参数计算软件的开发及流变模式的优化

钻井液流变模式的优化和流变参数的准确计算是钻井液优化设计的前提。利用回归分析的数学方法开发了钻井液流变参数的计算软件,它能对各种流变模式下的流变参数进行数据处理,自动生成各流变模式的流变曲线,并结合实际数据对各流变模式进行比较和分析,从而实现流变模式优选。赫巴流变模式的三个参数(τHB,K,n)不但能较好地反映钻井液的流变性而且具有明确含义,能较好地描述钻井液在低、中、高剪切速率下的流变行为,因此认为赫谢尔巴尔克莱模式在一定条件下能够更准确地描述钻井液流变特性。

西原模型对岩石流变特性的适应性及其参数确定

通过对伯格斯体与西原体的对比分析,认为西原模型能模拟各种岩石流变特征,而伯格斯体仅适合用于较软岩。由于考虑到荷载与起始流变应力的关系,西原模型的本构关系用分段函数表示。当σ<σs时,西原模型的蠕变不导致无限变形,松驰不导致应力为0;当σ≥σs时,蠕变导致无限变形,松驰也不导致应力为0。伯格斯体忽略荷载与起始流变应力的关系,认为只要有荷载作用于岩体上,就会导致无限变形,这与岩石的实际流变规律相矛盾。此外,利用三轴压缩蠕变试验结果,分别利用伯格斯模型及西原模型,运用最小二乘法对赵各庄煤矿断层破碎带灰黄色糜棱岩的流变曲线进行了拟合,并求取了流变参数。拟合结果表明,西原模型比伯格斯模型更适合于描述岩石的蠕变特性。

考虑磁场的磁流变效应Bingham建模

作为可控智能材料,磁流变体在车辆减振器、发动机悬置等减振领域应用日趋广泛。磁流变效应表现为在磁场作用下,磁流变体的剪切屈服应力将显著增长,从液态转变为半固态。通过考虑磁场条件下的磁流变效应 Bingham建模,研究了不同激励电流和剪切速率条件下磁流变体的轴对称环状间隙流动。同时,研究不同间隙宽度、不同粘度和不同剪切速率条件下,阻尼力随激励电流的变化关系。

油基钻井液高温高压流变参数预测模型

在高温高压深井中,钻井液流变性受温度和压力的影响较大。研究油基钻井液的高温高压流变特性,建立宾汉流体的流变参数预测模型,对于现场及时调整钻井液性能、精确计算环空压降、实现高温高压井当量循环密度的精确预测及合理控制井底压力具有重要意义。对具有典型配方的油基钻井液在高温高压下的流变特性进行了研究,通过对实验数据进行多元非线性回归分析,建立了预测高温高压条件下油基钻井液表观黏度、塑性黏度和动切力的数学模型。由模型得到的预测值与实测值具有较好的吻合性,相关系数均在0.98以上。该模型可用于深部井段流变参数的预测和现场水力参数的精确计算。

磁流变液阻尼器Bingham-多项式力学模型研究

针对磁流变液的流变特性,分别以磁流变液的Bingham力学模型、多项式力学模型和Bingham-多项式力学模型为理论基础,建立磁流变液阻尼器的力学模型,并对三种力学模型进行参数辨识,得到准确的数学模型。搭建一套双通道负载模拟试验台,通过试验研究对比三种力学模型模拟结果和试验测试结果,评估三种力学模型的精度和Runge振荡现象。研究结果表明,Bingham力学模型具有结构简单、物理量意义明确和较强的工程实用性等优点,但缺点是模型精度较差;六阶以上多项式力学模型模拟精度较高,但是随着多项式阶数的升高,模拟曲线的Runge振荡现象也越来越严重,而且曲线有可能失真;提出的Bingham-多项式力学模型能够同时解决传统多项式力学模型中低阶曲线精度低和高阶曲线易振荡的问题,模型的模拟结果和试验测试结果吻合精度较高。研究结果可为磁流变液阻尼器在振动控制领域中力学模型的选择提供参考。

四参数流变模式及其水力计算模型

提出了一种四参数流变模式,该模式能够精确地描述各种无时间依存关系的钻井液体系。利用多组测量数据评价了四参数流变模式对不同流体的拟合效果。根据管流特性参数法,并扩展应用到环空中,推导了管内与环空的层流压降计算公式,同时给出了紊流计算的半经验公式。通过引入广义流性指数的方法,给出了流态判别模型,使层流与紊流计算一致。根据四参数水力计算模型编制了计算机程序,利用一组不同来源的实验数据(包括管内与环空各种钻井液下的层流和紊流流动),验证了四参数模式的水力计算模型。与实测数据的对比表明,该模型计算结果与测量数据吻合得很好。说明该模式的水力计算模型要优于当前可用的流变模式。

统一流变力学模型参数的确定方法

统一流变力学模型同时包含黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性4种基本流变力学性态,根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变试验曲线特性,可以全面地对统一流变力学模型及其14个特殊情况下的模型进行辨识。以采用统一流变力学模型对流变模型进行辨识的方法为基础,对流变力学模型参数的确定方法进行研究。先介绍黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性这4个基本流变力学模型模型参数的确定方法。然后,将蠕变试验数据中的蠕变应变量分离成衰减蠕变应变分量(其蠕变曲线函数可表示为指数函数)和定常蠕变应变分量(其蠕变曲线形函数可表示为与时间成比例的线性函数)2部分。并分别介绍衰减蠕变应变分量中同时含有黏弹性和黏弹塑性2种应变,以及定常蠕变应变分量中同时含有黏性和黏塑性2种应变这2种情况的流变力学模型参数确定方法。最后,通过锡矿山页岩和东乡铜矿红砂岩2种岩石在不同应力水平下加卸载蠕变试验结果,给出2个流变模型参数确定的实例。

伯格斯模型参数调试与岩石蠕变特性颗粒流分析

岩石作为地下工程的主要研究对象,其物质组成和所赋存的复杂地质环境使其具有明显的流变特性。基于三维颗粒流程序(PFC3D),采用由开尔文模型和马克斯伟尔模型串联组成的伯格斯(Burgers)流变模型,通过控制变量法,分析了伯格斯模型中弹性系数(Em和Ek)、黏性系数(?m和?k)和摩擦因数f对瞬时强度特性和流变特性的影响;分析得出数值试样的瞬时强度特性主要受马克斯伟尔体弹性系数Em和摩擦因数f影响:弹性模量和单轴抗压强度与Em和f均呈正相关,泊松比与Em呈正相关,与f呈负相关;而流变特性与各参数均呈现负相关性。在此基础上,进行了红页岩分级增量蠕变试验的模拟,通过与室内蠕变试验结果的对比,验证了PFC3D中的伯格斯模型用于岩石蠕变试验模拟的可行性,并将该方法用于分级增量循环加卸载蠕变试验和三轴蠕变试验数值研究。该研究内容是利用离散单元法研究岩石流变特性的一种新的尝试。

应用漏斗粘度计测定幂律流体的流变参数

流体在漏斗粘度计中的流动规律及流变参数的确定 ,是目前国内外尚未很好解决的问题。根据位能与动能的变化关系 ,作者研究了在非恒定静压作用下幂律流体垂直下落的规律及流变参数与时间的关系 ,从而为计算漏斗粘度计中流体的流变参数提供了理论依据。文章采用流体静压头下降成比例的测量方法 ,记录其流动时间 ,简便地解决了幂函数求解指数的显函数方法。文章最后应用四种不同性能的液体 ,采用旋转粘度计实测的有关参量 ,与漏斗粘度计及旋转粘度的计算结果对比 ,说明了漏斗粘度计在一定条件下具有较高的测量精度 ,能较好地用于钻井液的流变学设计。

国产润滑脂流变参数的确定与研究

用ＨＡＡＫＥ流变仪确定了９种具有不同稠化剂结构的润滑脂和７种具有不同基础油粘度及稠化剂含量的锂基脂的流变参数，考察了稠化剂的结构和含量，以及温度、基础油粘度和剪切时间对流变参数的影响，对９种脂的触变性作了对比研究．结果表明：这些润滑脂的强度极限均随温度升高而降低，但其塑性粘度和塑性指数的变化均无规律性，不含添加剂的同种润滑脂随稠化剂含量的增大和基础油粘度的减小，其强度极限和塑性粘度都逐渐增大，而塑性指数逐渐减小；在９种含不同稠化剂的润滑脂中，非皂基润滑脂聚脲和膨润土都有优良的触变安全性．

钻井液卡森模式流变参数非线性最小二乘估计新算法

针对卡森流变方程的特点,提出了一种非线性最小二乘估计的新算法。该算法不需要人工给定迭代初始值,迭代过程稳定的收敛到参数允许区域中的唯一最小点,不会陷入极小点陷阱,存储需求量小,收敛速度快。新算法是一个全局优化算法,所得到的流变参数估计具有拟合残差近似无偏性和方差几乎为最小的特征。利用实际钻井液数据计算的实例表明,新方法具有比线性回归方法更小的拟合方差、相近的均值及优良的拟合残差统计特性。该方法可以应用到钻井液卡森流变模式流变参数的确定、钻井液流变模式优选及钻井液性能调整和评价等方面。

基于遗传算法的磁流变阻尼器Bouc-Wen模型参数辨识

在除试验数据外无任何先验知识的条件下如何识别Bouc-Wen模型的参数是一个亟待解决的问题。在对磁流变阻尼器进行力学特性试验的基础上,采用遗传算法对磁流变阻尼器Bouc-Wen模型进行参数辨识,并采用缩小参数取值范围的方法逐渐提高遗传算法的识别精度。通过分析参数值与电流间的特征曲线,采用曲线拟合的方法确定它们之间的函数关系,再利用遗传算法得到具体的函数表达式。最后用不同幅值和频率的激励试验数据对识别结果和拟合结果进行了验证。结果表明:利用缩小取值范围的方法得到的Bouc-Wen模型参数识别结果在全局最优解的附近,拟合结果和辨识出的模型均能满足要求。