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基于向量有限元的深水管道屈曲行为分析

工程力学 2021年第4期38卷 247-256页

作者：李振眠余杨余建星赵宇张晓铭赵明仁天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津大学天津300350 天津市港口与海洋工程重点实验室天津大学天津300350

局部屈曲破坏是深水管道运行的最大安全问题之一。采用创新性的向量式有限元方法(VFIFE)分析深水管道结构屈曲行为,推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式,编制Fortran计算程序和MATLAB后处理程序,开展外压下深水管道压溃压力和... 详细信息

局部屈曲破坏是深水管道运行的最大安全问题之一。采用创新性的向量式有限元方法(VFIFE)分析深水管道结构屈曲行为,推导考虑材料非线性的VFIFE空间壳单元计算公式,编制Fortran计算程序和MATLAB后处理程序,开展外压下深水管道压溃压力和屈曲传播压力计算、压溃和屈曲传播过程模拟。开展全尺寸深水管道压溃试验,进行深水管道压溃压力和压溃形貌分析,对比验证了VFIFE、试验、传统有限元方法(FEM)得到的结果。结果表明:VFIFE能够直接求解管道压溃压力和屈曲传播压力,模拟管道屈曲和屈曲传播行为,计算结果符合实际情况,与压溃试验、传统有限元方法符合较好,并具有不需特殊计算处理、全程行为跟踪等优势,可以为深水管道结构屈曲行为分析提供一套新的、通用的分析策略。

关键词：管道结构屈曲行为向量式有限元空间壳单元压力舱试验

工字型加筋复合材料壁板的压缩屈曲行为实验研究

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实验力学 2018年第5期33卷 725-733页

作者：王彩英白瑞祥雷振坤包头轻工职业技术学院能源工程学院包头014035 工业装备结构分析国家重点实验室大连理工大学工程力学系大连116024

在复合材料结构整个屈曲承载过程中，从微观开始发生局部的纤维断裂、基体微裂纹等损伤，并随着屈曲程度的增加和屈曲模式的转化逐渐发生分层扩展。采用实验与数值计算相结合的方法，本文研究了工字型加筋壁板复合材料结构在压缩载荷作... 详细信息

在复合材料结构整个屈曲承载过程中，从微观开始发生局部的纤维断裂、基体微裂纹等损伤，并随着屈曲程度的增加和屈曲模式的转化逐渐发生分层扩展。采用实验与数值计算相结合的方法，本文研究了工字型加筋壁板复合材料结构在压缩载荷作用下的屈曲行为。采用无损光学手段来非接触检测壁板表面的全场屈曲挠度，捕捉屈曲模态演化过程。基于有限元的数值模拟，预测了工字型加筋壁板复合材料结构的屈曲与后屈曲行为，用定量的实验数据来对比数值预测的壁板屈曲形态，表明实验和数值结果的离面挠度分布具有一致性。

关键词：加筋壁板压缩测试屈曲行为投影条纹法有限元

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超深气井完井管柱屈曲行为研究

石油机械 2020年第2期48卷 29-34,41页

作者：刘祥康丁亮亮李玉飞陆林峰张林罗伟田璐中国石油西南油气田公司工程技术研究院西南石油大学机电工程学院

超深高温高压气井由于井筒温度高、压力高,井下管柱屈曲风险高,易造成管柱失效或冲蚀加剧等问题。通过超深高温高压气井管柱静力学分析发现热生产和热关井两个工况下管柱屈曲风险最大。鉴于此,针对热生产与热关井工况建立了用于分析两... 详细信息

超深高温高压气井由于井筒温度高、压力高,井下管柱屈曲风险高,易造成管柱失效或冲蚀加剧等问题。通过超深高温高压气井管柱静力学分析发现热生产和热关井两个工况下管柱屈曲风险最大。鉴于此,针对热生产与热关井工况建立了用于分析两种苛刻工况下全井段油管柱屈曲问题的有限元力学模型,定量得出两种工况下全井段油管柱的屈曲形态、横向位移、油管柱-套管接触力、弯矩与扭矩等力学参数。研究结果发现:在热生产工况下,油管柱发生了不稳定的屈曲形态,在油管柱屈曲段的上部与下部位置,油管柱与套管的接触较为密集;在热关井工况下,油管柱相对只发生了轻微的纯正弦屈曲。所建立的模型可用于油管-套管屈曲损伤失效分析,可为优化现场生产工艺和延长油管柱寿命提供理论依据。

关键词：完井管柱热生产热关井屈曲行为弹塑性力学有限元分析

复杂力学环境中完井管柱屈曲行为及其防控措施

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科学技术与工程 2021年第5期21卷 1758-1763页

作者：练章华王天牟易升罗玉合张潮高旭西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室成都610500 中国石油西南油气田公司蜀南气矿泸州646000 智慧石油投资有限公司克拉玛依834000 管道储运有限公司抢维修中心徐州221008

复杂力学环境中完井管柱由于处于超高温、高压的环境下,容易发生管柱屈曲,大大影响了管柱的服役寿命。基于弹塑性力学理论建立了实际井况下油管柱屈曲行为分析的有限元力学模型,并在此基础上分析了复杂力学工况下管柱的屈曲形态、横向... 详细信息

复杂力学环境中完井管柱由于处于超高温、高压的环境下,容易发生管柱屈曲,大大影响了管柱的服役寿命。基于弹塑性力学理论建立了实际井况下油管柱屈曲行为分析的有限元力学模型,并在此基础上分析了复杂力学工况下管柱的屈曲形态、横向位移等,再针对加扶正器、优化产量以及伸缩管的设计等缓解管柱屈曲措施对管柱屈曲行为的影响程度开展了研究。结果发现:在苛刻工况下,油管柱底部易发生较为复杂的屈曲,从井深5500~7300 m井段的油管柱产生了螺旋屈曲的构型,整段屈曲段长达2400 m;本文工况下,伸缩短节数达到6个后,全井段油管柱的屈曲段长度和管柱弯曲应力的减小速率大幅降低,伸缩短节的个数对管柱屈曲及弯曲应力影响大幅减弱。对于复杂环境下气井工况而言,控制产量对管柱屈曲行为改善最为明显,其次为扶正器设计,为提高油管柱寿命及气井完整性提供了技术支撑。

关键词：油管柱屈曲行为弹塑性力学有限元法

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扶正器对超深气井油管柱屈曲行为的影响研究

中国安全生产科学技术 2018年第3期14卷 109-114页

作者：牟易升练章华张强路宗羽李杰西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室四川成都610500 中石油新疆油田公司工程技术研究院新疆克拉玛依834000

为对苛刻工况中超深气井油管柱的屈曲行为进行完整、定量的研究,针对塔里木油田某超深气井油管柱,采用接触问题的有限元法,建立了原始油管和带扶正器油管2种工况下的有限元模型,并对油管柱的屈曲、接触问题进行模拟。结果表明:2种工况... 详细信息

为对苛刻工况中超深气井油管柱的屈曲行为进行完整、定量的研究,针对塔里木油田某超深气井油管柱,采用接触问题的有限元法,建立了原始油管和带扶正器油管2种工况下的有限元模型,并对油管柱的屈曲、接触问题进行模拟。结果表明:2种工况下的油管柱均在中和点到封隔器段发生了非均匀的正弦屈曲,加扶正器油管屈曲后横向位移小,屈曲段变长,屈曲形态有所改善;该模型可以全井段对原始油管柱和带扶正器油管柱屈曲形态进行对比分析,并且可获取原始油管屈曲后与套管的接触压力及其摩擦力,可为扶正器位置设计和油套管摩擦损伤失效分析提供定量数据参考。

关键词：超深气井油管柱屈曲行为接触力学有限元法

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弯曲井眼中管柱屈曲行为研究

石油钻采工艺 2000年第4期22卷 1-4页

作者：高德利刘凤梧徐秉业石油大学石油工程系北京昌平102200 清华大学工程力学系北京100084

给出了描述弯曲井眼中管柱屈曲及后屈曲行为的解析结果。通过求解由平衡法得到的管柱屈曲平衡方程，得到了管柱的正弦屈曲的构型和螺旋屈曲构型的解析解。解析结果与相应的数值结果有良好的一致性。在此基础上，确定了管柱的初始屈曲临... 详细信息

给出了描述弯曲井眼中管柱屈曲及后屈曲行为的解析结果。通过求解由平衡法得到的管柱屈曲平衡方程，得到了管柱的正弦屈曲的构型和螺旋屈曲构型的解析解。解析结果与相应的数值结果有良好的一致性。在此基础上，确定了管柱的初始屈曲临界载荷、保持正弦屈曲构型的最大载荷和螺旋屈曲临界载荷。由此，进一步得到了管柱在后屈曲进程中载荷与变形受力的关系。

关键词：弯曲井眼管柱变形石油钻井屈曲行为

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碳纳米管在简单和组合载荷下的屈曲行为研究

碳纳米管在简单和组合载荷下的屈曲行为研究

作者：袁强飞华中科技大学

学位级别：硕士

碳元素奇特的性质和多种多样的形态渐渐被人们发现、认识和利用。石墨电极的应用、碳纤维复合材料的开发等都大大推进了人类文明。自从碳纳米管被发现以来,实验研究证明其具有高强度、高刚度等奇异的力学性质以及各种独特的电学性质。... 详细信息

碳元素奇特的性质和多种多样的形态渐渐被人们发现、认识和利用。石墨电极的应用、碳纤维复合材料的开发等都大大推进了人类文明。自从碳纳米管被发现以来,实验研究证明其具有高强度、高刚度等奇异的力学性质以及各种独特的电学性质。在纳米机械、纳米材料等相关领域有着不可估量的应用前景,这些都迫切的要求对碳纳米管的基本力学性能和变形机制有更深入的了解。本文以单壁碳纳米管和双壁碳纳米管为研究对象,采用分子力学模拟和连续介质理论方法,研究了碳纳米管在各种载荷作用下的变形屈曲行为。加载形式包括轴压、扭转两种简单载荷,以及轴压和扭转组合载荷。分析了碳纳米管应变能随应变的变化,并且讨论了碳纳米管的几何特性对屈曲行为的影响,将分子力学模拟结果与连续介质理论结果进行了比较,验证了连续介质理论的可行性。在简单载荷下的屈曲行为研究中,得出了碳纳米管的手性、长度、半径对其屈曲变形行为的影响。在双壁碳纳米管的扭转屈曲研究中,提出了双壁碳纳米管等效厚度的概念,使得理论计算大大简化,并且计算结果与分子力学模拟结果吻合。在复合载荷作用下的屈曲行为研究中,分析了不同轴向载荷下,碳纳米管的临界扭转屈曲,不仅得到了轴向载荷对扭转屈曲的影响,同时也得到了轴向和扭转组合载荷下的临界关系曲线,并且研究了碳纳米管几何特性对临界关系曲线的影响。本文研究的碳纳米管的屈曲变形规律,对于碳纳米管材料的设计起到了指导作用,对碳纳米管的应用和发展具有重要的理论和现实意义。

关键词：单壁碳纳米管双壁碳纳米管简单载荷组合载荷屈曲行为

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静、动载荷下薄膜结构屈曲行为的实验研究

静、动载荷下薄膜结构屈曲行为的实验研究

作者：张敏天津大学

学位级别：硕士

随着材料薄膜技术的迅猛发展,膜层材料在许多工程领域中得到广泛应用,国内外学者对沉积膜层的脱层与屈曲问题日益关注。在微纳米机电系统器件中,脱层与屈曲是主要破坏形式,本文的主要工作就是研究和分析讨论沉积在有机玻璃基底上的不同... 详细信息

随着材料薄膜技术的迅猛发展,膜层材料在许多工程领域中得到广泛应用,国内外学者对沉积膜层的脱层与屈曲问题日益关注。在微纳米机电系统器件中,脱层与屈曲是主要破坏形式,本文的主要工作就是研究和分析讨论沉积在有机玻璃基底上的不同厚度的钛薄膜和镍薄膜,在外加轴向静载荷和外加轴向冲击载荷作用下的屈曲过程,这一工作对于其寿命预测具有重要意义。在本文中,用OLYMPUS显微镜详细观测了薄膜表面在静载荷施加过程中随着载荷变化屈曲产生及扩展的过程,对同一试件进行多次循环加卸载,得到了在重复载荷作用下薄膜表面屈曲产生及扩展与施加载荷的关系,并分析了屈曲产生及扩展的机理。对试件施加大的静载荷,分析了所产生的屈曲的性质及原因。另外,还对Ti/Ni多层膜施加静载荷,观察了屈曲的产生及扩展,并与单层膜的实验情况进行了对比。为了研究在轴向冲击载荷作用下薄膜表面的屈曲行为,我们设计了落锤冲击加载装置和摆锤冲击加载装置。在实验中,对不同厚度和不同材料的薄膜进行了冲击加载,为了得到冲击过程中力-位移曲线,我们设计了悬臂梁式位移传感器并对其进行了标定。初步对冲击载荷作用下薄膜表面屈曲的分布和特点进行了总结和解释,并对静、动载荷作用下的实验结果进行了对比。实验结果表明,无论是在静载荷还是在动载荷作用下,薄膜的屈曲行为都与薄膜材料和薄膜厚度有着密切的关系。

关键词：薄膜屈曲行为静载荷动载荷

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微管的屈曲行为以及振动的电场效应

微管的屈曲行为以及振动的电场效应

作者：安乐兰州大学

学位级别：硕士

微管、微丝和中间纤维是细胞骨架的主要组成部分,在保持细胞形态、承受外力、保持细胞结构内部的有序性以及细胞的许多生理过程和生命活动中扮演着重要的角色。在细胞骨架的三种组成部分中,微管具有最大的刚度,因此在维持细胞形态和保... 详细信息

微管、微丝和中间纤维是细胞骨架的主要组成部分,在保持细胞形态、承受外力、保持细胞结构内部的有序性以及细胞的许多生理过程和生命活动中扮演着重要的角色。在细胞骨架的三种组成部分中,微管具有最大的刚度,因此在维持细胞形态和保持细胞结构内部的有序性方面起着重要的作用。研究微管的刚度以及相关的力学行为和电磁学行为,不但有助于解释细胞的生理过程,而且对微纳尺度生物机械系统的设计和研究具有重要的作用。针对微管的力学性能和电磁学性能,本文的主要研究工作如下：基于应用于微纳米尺寸的非局部理论模型和应用于生物大分子的蠕虫链模型,建立了计算微管持续长度的非局部正交各向异性壳模型。其结果不但验证了微管持续长度的长度相关特征,还给出了微管内在尺寸对持续长度的影响：在微管的长度比较小的时候,考虑小尺寸效应得到的持续长度小于不考虑小尺寸效应时的值;而当微管的长度较大的时候,小尺寸效应对微管的持续长度无明显变化。基于非局部正交各向异性壳理论,本文将胞质中的纤维网络等效成弹性介质,将胞液的流动等效为Stokes流,研究了胞质中微管的屈曲行为和自由振动特性。利用Li提出的微管屈曲增长率的概念探讨了微管的动态屈曲行为,解释了微管在胞质环境中短波长屈曲现象,给出了小尺寸效应、微管的剪切模量、胞液的粘性系数、纤维网络的弹性等对屈曲增长率和屈曲临界值的影响。此外,微管振动特性的研究结果表明微管在胞质中自由振动模态受小尺寸效应的影响是不能忽略的。微管的轴向振动在其周围产生电磁场。受小尺寸效应、轴向半波数和自身长度影响的微管轴向振动频率直接影响了微管周围电磁场的分布。将微管周围的胞质环境看成一个各向同性、无界无源的导电媒质,将组成微管的异二聚体看成是一个电偶极矩,在此基础上分别给出了弯曲变形微管上的异二聚体在相干激励和随机激励情形下在其周围产生的电场分布,结果表明微管的振动频率、变形模态、管长和激励形式直接影响微管在其周围产生的电场分布。

关键词：微管各向异性壳非局部弹性理论屈曲行为电场