杆系结构分析中的直梁单元和曲梁单元

本文编制了杆系结构直梁单元的几何线性有限元程序。通过２个经典实例，对不同的直梁单元和曲梁单元进行了对比。结果表明：直梁单元与曲染单元的计算结果没有显示的不同。因而，在杆系结构的非线性分析中，可以采用直梁单元模拟曲梁，进行屈曲分析。     

斜直井内钻柱的非线性螺旋屈曲

基于最小位能原理,研究了斜直井内钻柱的非线性螺旋屈曲问题。利用圆柱面坐标系,使接触非线性问题简化成了纯几何非线性问题。对于上端周向自由,下端铰支的钻柱,用Rayleigh-Ritz法得到了有一定横向载荷作用时,确定螺旋屈曲临界载荷无量纲形式的非线性积分方程。应用符号运算软件Maple10,对具体的工程算例进行了求解。研究发现:该文的计算结果与已有的实验结果吻合,说明钻柱的螺旋屈曲问题是非线性问题,同时也证实了该文的非线性算法的有效性。该方法可用于求解斜直井内的钻柱屈曲问题。     

功能梯度压杆在均布载荷作用下的后屈曲形态

对受均布载荷作用功能梯度材料(FGM)压杆的屈曲及后屈曲行为进行了分析。基于杆的大变形理论, 考虑杆的轴线伸长, 建立了受均布载荷作用下细长FGM压杆的几何非线性平衡方程, 其中假设FGM杆的性质沿厚度方向按照幂函数连续变化。采用打靶法和解析延拓法数值求解非线性两点边值问题, 获得了一端自由一端固定FGM杆的后屈曲数值解。给出了不同梯度指标下FGM杆的后屈曲特征曲线, 并与金属和陶瓷两种单相材料杆的相应特性进行了比较, 分析和讨论了材料的梯度性质参数对杆变形的影响。结果表明: FGM杆后屈曲行为与各向同性均质杆有很大区别, 梯度指数对杆的屈曲载荷以及后屈曲形态有明显的影响。      

非对称支承弹性杆的热过屈曲

本文基于轴线可伸长细杆的几何非线性理论,建立了一端固定夹紧另一端固定简支的均匀加热直杆热弹性过屈曲行为的精确数学模型。这是一个包含杆轴线弧长在内的多未知函数的强非线性一阶常微分方程两点边值问题。采用打靶法和解析延拓法直接数值求解上述非线性边值问题,获得了杆的热过屈曲状态解,给出了具有不同长细比杆的热过屈曲平衡路径。     

斜井中钻柱的稳定性研究

利用弹性杆的大变形理论,在拖带坐标系下建立了斜直井孔约束下钻柱的平衡微分方程。为了比较端部不同约束对钻柱屈曲行为的影响,分别采用两端铰链支承和一端滑动固定、一端铰链支承模型对钻柱的控制微分方程进行了级数求解,并用迦辽金方法在空间域内加权消残,得到了屈曲发生时无量纲的结构参数与井孔几何参数之间的关系,并绘制了相应的分岔值曲线。研究结果表明,随着井斜角的增加和井孔视半径的减小,钻柱发生屈曲的临界载荷亦越来越大。得到的分岔值曲线对于预测钻柱屈曲行为的产生具有一定的参考意义。由于两个模型给出几乎相同的分岔值,说明控制斜直井孔内钻柱屈曲行为的主要因素是井壁的侧向约束,而端部不同边界条件的影响可以不计。     

悬挂管柱正弦向螺旋屈曲转变时的临界载荷研究

悬挂管柱正弦向螺旋屈曲转变时的屈曲构型发生跳跃性变化,管柱与井筒存在接触和脱离等非线性力学问题。基于慢动力法,将悬挂管柱静力屈曲问题转换成动力学问题,建立了悬挂管柱上端受拉、下端受压的后屈曲分析有限元模型。研究表明,通过虚拟较大的阻尼比,能够有效地抑制管柱振动,可以计算出稳定的正弦屈曲和螺旋屈曲构型。当无量纲长度取8时,正弦向螺旋屈曲转变的无量纲临界载荷为4. 11,螺旋屈曲构型中存在两个接触点,两接触点之间的螺旋角为77.9°,下接触点距井底的无量纲长度为1.30。摒弃了管柱屈曲挠曲线假设,得出了悬挂管柱螺旋屈曲的最小临界载荷,对扶正器安放位置设计具有实际意义。     

受横向约束的细长无重管柱在压扭组合作用下的后屈曲分析

井眼中管往的屈曲，将会使钻井、采油生产等作业难以顺利进行，弄清管柱屈曲后的特性对石油工程有重要的实际意义。本文首先建立了受横向约束的管往在轴向载荷和扭矩的作用下的屈曲平衡方程；并对所得四阶非线性常微分方程进行了分析、求解。结果表明，在特定边界条件下，受压扭组合作用的管柱屈曲构形为精确的圆柱螺旋线；并进而得到了管柱屈曲变形与载荷之间的解析关系；本文结果退化后与文献所得结果一致；最后讨论了管柱所受扭矩对螺旋屈曲行为的影响和扭矩对螺旋旋向的影响。     

轴向力作用下非对称支承Euler-Bernoulli梁在过屈曲前后的横向自由振动

基于轴线可伸长杆的几何非线性理论，建立了Euler-Bemoulli梁在轴向载荷作用下过屈曲横向自由振动的精确模型，并采用打靶法数值求解了一端可移简支一端固定的Euler-Bemoulli梁在过屈曲前后的小振幅自由振动，获得了线性振动的响应。结果表明，轴向力对过屈曲前后梁的各阶固有频率均有影响。     

几何参数表达的压杆挠曲线方程的解析与应用

几何参数表达的压杆挠曲线方程可以由二力杆弯曲平衡的欧拉曲线与二力杆的直线平衡状态下的变形表达式叠加而成。与挠曲线的叠加相对应,压杆的荷载也可以分解为分别作用在二力杆上的轴力与弯矩的组合及轴力与剪力的组合。将上述解析原理及压杆挠曲线方程应用到几何非线性分析和屈曲问题中,定义为解析方法,是对几何非线性问题提出的一种新解法。该文给出了解析方法的应用实例,说明无剪力条件下可以获得简洁公式。     

非均匀温度场压杆蠕变屈曲分析

本文分析了受短时热冲击压杆在非均匀温度场下的蠕变屈曲问题。控制方程考虑了几何非线性以及横截面上应力分布非线性，以内力和位移为基本未知量，在空间上以样条配点法离散，而对时间以初应力法求蠕变变形。计算结果得到了蠕变屈曲破坏的典型模式。     

Research on Buckling Behavior and Analysis of Sensitive Factors in Horizontal Well Drilling

Buckling behavior of the drill string in the wellbore is one of the key issues in the oil and gas well engineering, which has been investigated by many theoretical and experimental studies in recent years. In order to study the buckling characteristics of drill string in the horizontal well, the factors of gravity, friction, and boundary conditions were taken into account, and a numerical simulation model of horizontal drill string was built up. The buckling critical load of numerical simulation was proven to be in good agreement with the experimental results; that is to say the simulation result is reliable. The key factors of friction coefficient, length of horizontal well section, and radial clearance between drill string and wellbore annular which affect buckling critical load of drill string were discussed. The results show that the angular displacement of horizontal drill string changes in the form of sine when sinusoidal buckling occurs. The pipe string buckling critical load increases with the increasing of friction coefficient. Under the same condition, the buckling critical load of horizontal drill string decreases approximately linear with the raise of horizontal well length, and declines in exponential trend with the increasing of the annular clearance. The research can provide theoretical reference for the optimal design of horizontal well string and practical drilling operation.     

初始缺陷对三向张弦梁结构整体稳定性影响研究

三向张弦梁结构是新广州站工程采用的一种新型张弦梁结构,因此有必要对三向张弦梁结构的整体稳定性能进行深入的研究。该文首先对随机缺陷模态法进行了改进,使其更适用于网壳与张弦梁混合结构的缺陷稳定性分析。然后分别采用改进的随机缺陷模态法和一致缺陷模态法对三向张弦梁结构的缺陷稳定性进行了研究。分析结果表明:改进后的随机缺陷模态法更适用于网壳和拱梁混合结构形式的缺陷稳定性分析;缺陷越大,该三向张弦梁结构对缺陷越敏感,整体稳定性能受缺陷的影响越大;与理想结构破坏模式最接近的特征值屈曲模态为最不利的特征值屈曲模态,按此模态施加初始缺陷后的结构承载力最低;按非线性屈曲模态对结构施加缺陷得到的结构极限承载力小于按特征值屈曲模态施加缺陷的情况,与随机缺陷模态法的结果最为接近。     

Stability of drill strings in controlled directional wells

We formulate the problem of theoretical simulation of the bifurcation buckling of drill strings in deep directional and horizontal oil and gas wells, and propose the procedure for its solution. The analysis is made of the critical states in drill strings for various values of the well inclination, axial velocities of drill string motion and rotation. The buckling modes of the bifurcation drilling are constructed. Translated from Problemy Prochnosti, No. 6, pp. 71–81, November–December, 2008.     

钻柱纵向振动分析与应用

利用钻柱纵向振动数学模型,分析了钻柱轴向应力振幅分布曲线和钻柱中最大轴向应力幅频曲线的特征以及钻井液粘度、激励位移、减振器位置对钻杆中最大轴向应力振幅的影响。分析表明：钻柱中轴向应力振幅沿纵向呈波状分布,其最大值在钻柱底部或钻杆中;钻杆中的最大轴向应力振幅随转速的变化曲线呈凹坑形,为了保护钻柱,应该选择凹坑中间的转速带;钻杆中的最大轴向应力振幅和钻柱底部的轴向应力振幅随转速的变化趋势并不完全一致,以后者作为判断钻柱是否共振和优选转速的指标不够准确,而应以前者作为该指标;钻杆中的最大轴向应力振幅与激励位移大致成正比;钻井液粘度越高,钻杆中的最大轴向应力振幅越小;减振器位置可以改变钻柱纵振系统的固有频率,从保护钻柱角度考虑,低转速时,减振器应紧靠钻头安装,高转速时,减振器应与钻头保持一定距离;通过优选钻具组合和转速,防止钻柱共振是预防钻具失效的有效措施     

高压气井完井管柱系统的轴向流固耦合振动研究

目前针对石油完井管柱的研究没有考虑瞬变流诱发的管柱运动,而实际的管柱与管内流体存在相互影响、相互作用。对完井管柱系统流固耦合振动响应进行了初步分析与探索,给出了适用于气井完井管柱流固耦合分析的数学模型,提供了采用特征线法对耦合模型进行解耦以及采用插值方法进行数值求解的具体过程,并以现场数据为例,预测分析了天然气不稳定流动引起的流体压力、管柱应力、管柱振动速度的耦合响应过程。研究结果表明：天然气不稳定流动使管柱处于交变应力状态,并诱发管柱往复运动,这将加剧完井管柱结构的疲劳破坏与磨损破坏。该结果对预防完井管柱先期实效有实际工程意义     

钻柱扭转和纵向振动的等效网络分析

忽略阻尼对钻柱振动的影响,在一维钻杆扭转振动和纵向振动方程的基础上,推导出单根钻杆和多根相同钻杆扭转振动和纵向振动的等效网络.利用等效网络级联理论,结合钻柱系统边界条件,给出了钻柱扭转振动和纵向振动的等效网络和机械等效阻抗表达式,阐述了根据机械等效阻抗确定钻柱扭转振动和纵向振动机械共振频率的原理和方法.由等效网络分析法...     

风载荷作用下V形绝缘子串的力学特性分析

架空输电线路在特定的风载荷作用下，其不同构件、部位的受力情况大不相同，严重时会导致输电塔线体系发生失稳乃至绝缘子串断裂，极大地影响电网运行安全。为此，以云南某山区的架空线路为研究对象，利用ANSYS有限元仿真软件，对复合绝缘子芯棒进行各向同性、各向异性特征值屈曲分析。构建了新型四联V形绝缘子串，引入系数P_h/G_v（水平载荷/垂直载荷），对比分析双联和四联V形绝缘子串在不同风载荷作用下的力学特性，对其迎风侧和背风侧的变形、最大应力及最低点水平位移进行研究。结果表明：当P_h/G_v=2.34时，V形绝缘子串背风侧的最大应力最小；随着P_h/G_v的增大，相对于双联V形绝缘子串，四联V形绝缘子串的应力变化曲线更加平缓，其最低点水平位移更小；V形绝缘子串与竖直平面的夹角为10°~30°时，角度越小，其整体性能越稳定。研究结果为V形绝缘子串的设计改进提供了有力的依据，具有较强的工程参考价值。     

Buckling Analysis of Non-cementing Casing String in Borehole

This article is from the cooperation projects of Tarim Oilfield—the sidetracking feasibility analysis of lateral drilling. It analyzed the buckling behavior of non-cementing casing string in the borehole by means of theoretical analysis and modeling analysis. When free section of casing string occurs buckling, casing string bends along the sidewall, leads to additional force and additional bending moment. If casing string’s deformation is too large, it reduces the ability to resist broken of casing string. The study of non-cementing casing string buckling is important to the feasibility of lateral drilling. The free section of casing string is the research objective of this paper. Considering the factors such as self weight of casing string, fluid pressure inside and outside casing, downhole temperature and contact frictional force between casing and shaft lining, the differential equation of buckling is derived by the energy method. The solution of the buckling differential equation has been solved, and the analytical solution of the sinusoidal and spiral buckling of the casing string along the tube column has been obtained. This article analyzed the buckling behavior of non-cementing casing string in the borehole by means of theoretical analysis and finite element analysis. The results show that the difference of the analytical solution and simulation results of the buckling differential equation is <15%.     

钻柱振动信号的在线监测及应用

钻柱振动信号是一种非常复杂的振动波,它包含了钻柱和钻头自身工况引起的振动、钻头与地层相互作用所激发的振动,钻柱与井壁相互碰撞和粘卡-释放引起的振动等。研究表明,井下钻柱的运动状态、牙轮钻头的磨损状况和岩石的破碎方式的不同,会表现出不同的振动特征。因此,在线监测和分析钻柱振动信号的时域和频域特征,实时识别井下钻具的工作状态,对预防钻具（钻柱和钻头）的早期损坏、减少钻井事故的发生具有重要作用。在调研国内外钻柱振动信号测量方法的基础上,研制了钻柱三轴振动信号的地面测量装置,并进行了现场试验。试验结果表明,通过对振动信号的时域和频域信号的特征分析,对可以识别出钻柱的非稳定工作状态、钻柱粘卡、钻头故障等异常工况,并且通过改变钻压或转盘转速可以消除因钻进参数配合不当二引发的高幅振动,防止钻具的早期损坏。     

不同激振条件下减振器对钻柱纵向振动的影响

利用钻柱纵向振动数学模型,在钻头处分别施加激励位移(即激励位移法)和激励力(即激励力法),对比分析了减振器刚度和安装位置对常用塔式钻柱钻杆中晟大轴向应力振幅和井口钻柱轴向位移振幅的影响.分析发现:二者随转速的变化曲线呈连续的凹坑形,钻井时应优选转速使二者尽可能小;减振器的安装位置和刚度对二者有重要影响,当钻头处采用不同...