Fatigue crack propagation of multiple coplanar cracks with the coupled extended finite element/fast marching method

A numerical technique for modeling fatigue crack propagation of multiple coplanar cracks is presented. The proposed method couples the extended finite element method (X-FEM) [Int. J. Numer. Meth. Engng. 48 (11) (2000) 1549] to the fast marching method (FMM) [Level Set Methods & Fast Marching Methods: Evolving Interfaces in Computational Geometry, Fluid Mechanics, Computer Vision, and Materials Science, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 1999]. The entire crack geometry, including one or more cracks, is represented by a single signed distance (level set) function. Merging of distinct cracks is handled naturally by the FMM with no collision detection or mesh reconstruction required. The FMM in conjunction with the Paris crack growth law is used to advance the crack front. In the X-FEM, a discontinuous function and the two-dimensional asymptotic crack-tip displacement fields are added to the finite element approximation to account for the crack using the notion of partition of unity [Comput. Meth. Appl. Mech. Engng. 139 (1996) 289]. This enables the domain to be modeled by a single fixed finite element mesh with no explicit meshing of the crack surfaces. In an earlier study [Engng. Fract. Mech. 70 (1) (2003) 29], the methodology, algorithm, and implementation for three-dimensional crack propagation of single cracks was introduced. In this paper, simulations for multiple planar cracks are presented, with crack merging and fatigue growth carried out without any user-intervention or remeshing.     

面积坐标法构造含转角自由度的四结点膜元

以四边形面积坐标作为工具,构造了两个含转角自由度的广义协调四边形单元AQ4和lAQ4。它们通过强式分片检验,与同类单元相比,具有很高的计算精度,能消除梯形闭锁现象,有很强的抗网格畸变的能力。     

弯曲性分叉河道中污染物扩散性的初步研究

弯曲性分叉河道中水流特征复杂,对污染物扩散有很大影响。为了定量分析其水流特征对污染物扩散的影响,采用有限元方法求解弯曲性分叉河道中的污染物扩散数学模型,研究其中污染物扩散的状况。主要针对河道回流、绕流对污染物扩散的影响进行了详细数值模拟计算,并分别给出了可视化结果及平均的扩散距离。计算结果表明:边界层稍微减弱污染物的扩散,弯道分离使污染物扩散呈现多向扩散,而回流和绕流尾迹区使污染物很难扩散,从而有利于泄漏污染物的收集和集中治理。     

径向水平井弯曲转向机构影响因素仿真研究

针对径向水平井钻进中钻杆弯曲转向前进运动困难的问题,通过建立弯曲转向机构仿真有限元模型,对其主要影响因素:滑道轨迹曲率、间隙、工作压力、滚轮形状与位置和钻杆壁厚等用ANSYS软件进行仿真研究。研究表明:影响截面变形的主要因素是滑道曲率的改变和滑道摩擦因数,钻井失败时钻杆所受阻力的增大不是因为升高工作压力导致截面变形过大与滑道干涉所致,钻杆经校直段,钻头中轴线与校直中心线存在一定的角度,即钻杆的前进轨迹就会偏离理论值,或与地层干涉,或可能再次发生弯曲变形;另一主要原因是转向器滑道工作恶化。增加钻杆壁厚,降低工作压力和滑道摩擦因数,设计合理弯曲转向机构是解决问题的关键。     

有限元技术在数值试井中的应用

分析了试井技术的发展趋势，对有限元分析技术及其发展作了较为全面的介绍，重点阐述了利用有限元技术进行三维建模的方法和步骤，尤其是对复杂的非对称边界和非均质油藏的建模方法和技巧进行了深入探讨。利用数值试井技术，石油工程师可以方便准确地对复杂油藏和边界进行建模，试井的模拟过程和油藏任意位置的压力瞬间变化都可以通过图形和颜色的变化显示出来，解释的精度和速度都得到了大大地提高。     

聚合物熔体的非等温平板收缩流动的数值模拟

用有限元法模拟了Carreau流体在4：1平板收缩口模中的非等温挤出流动，采用3节点的三角形单元对速度、压力和温度进行等阶插值，运用特殊的罚函数处理流体的不可压缩条件，解决了压力场的数值振荡问题，并用改进的Newton迭代法对非线性方程进行求解，成功地计算了Carreau流体在平板收缩流动中的速度、压力、粘度以及应力的分布，同时得到温度场的分布，计算的应力分布与实验的结果及Renardy的分析结构相符。     

X射线光刻掩模背面刻蚀过程中的形变仿真

开发了理论模型以验证有限元方法用于X射线光刻掩模刻蚀过程数值仿真的正确性。利用相同的有限元技术，对X射线光刻掩模的背面开窗、Si片刻蚀过程进行数值仿真。结果表明，图形区域的最大平面内形变(IPD)出现在上、下边缘处，最大非平面形变(OPD)出现在左、右边缘处。此外对Si片单载荷步刻蚀和多载荷步刻蚀的仿真进行比较，结果表明图形区域最终的形变量与Si片刻蚀的过程无关。     

基于有限状态的全周期序列混沌映射的研究

在有限长度的数字计算机中，混沌迭代序列是一个有限周期序列，其相关性能远远低于理想序列。基于skew tent映射，提出一种离散化的有限状态混沌映射，它允许精确的数值计算，没有舍入误差，通过选择合适的参数，映射能产生全周期长度的序列。仿真实验表明，归一化的序列平均周期对计算机精度不敏感，生成的二进制序列具有良好的相关性能。     

高压对气井套管接头螺纹接触应力的影响研究

高温高压气井对螺纹密封性的要求要比油井更为严格。对于高压气井中的整个管柱,每一段处于不同的力学环境中,发生泄漏的可能性也不同,因此研究压力对气井套管接头螺纹接触应力的影响,对高压气井套管的合理使用尤为重要。利用弹塑性有限元分析方法,建立了API偏梯型螺纹套管接头的有限元模型,分析了气井压力对套管接头接触应力的影响,提供了研究压力对套管接头螺纹接触应力影响的方法。对于井口压力或井底压力超过34MPa的高压气井,应选用气密性良好的特殊螺纹接头,建议采用金属对金属的螺纹接头套管,以加强螺纹部位的连接强度和密封性能。