钻柱结构与井壁岩石互作用下系统耦合非线性动力学研究

在石油钻井过程中,钻柱的运动过程相当复杂,不仅存在纵向、横向和扭转振动,而且还与井壁发生随机接触碰撞.在考虑钻头与岩石互作用随机载荷以及钻柱与井壁接触碰撞随机载荷作用下,建立实态工作状态下钻柱与井壁互作用下钻柱系统纵向、横向、扭转耦合非线性动力学模型,研究高度耦合非线性动力学模型的数值计算方法,探讨钻柱在钻井过程中运动规律、力学性能,为实态工作工况下钻柱系统耦合非线性动力学奠定理论基础,具有重要的理论意义和学术价值.     

基于钻头-岩石碰撞的激振冲击系统的非线性动力学研究

为了提升旋转冲击钻井过程中轴向冲击的辅助破岩效果,设计了一套用于测试钻头与岩石之间激振碰撞的试验装置,通过对钻头的激振频率、激振振幅和施加的静态压力3项可控参数的调节,研究了该激振冲击系统的动力学行为演化规律,且试验测试结果与数值模拟结果具有很好的一致性。通过进一步的分岔分析和相平面分析发现,由于激振冲击系统具有典型的接触非线性结构,其动态响应也呈现出复杂的非线性特征,钻头在与岩石发生激振碰撞后,主要保持单周期的振动状态,但随着控制参数的变化,钻头与岩石之间在一个激励周期内的碰撞次数会不断改变;此外,钻头的振动状态还会经由倍周期分岔转变为双周期振动,但最终又会经由逆倍周期分岔或者折叠分岔重新回到单周期振动状态。由于钻头的振动状态直接决定了其轴向冲击力的大小,因而会影响其破岩效率;因此,为了获得破岩效率最高的一周期一次碰撞的钻头振动状态,应该采用较高的激振频率和振幅,但应该避免较高的静态压力,因为它将触发钻头的颤振,反而降低其破岩效率。     

水平井中钻柱屈曲的非线性有限元分析

建立了直井中钻柱屈曲的平衡方程及对应的泛函表达式,使用有限元法对不同约束下水平井中钻柱从稳定到非线性屈曲的整个过程进行了分析。力学模型中考虑了重力和扭矩对屈曲的影响。分析结果表明:钻柱的屈曲是一个从局部屈曲到总体屈曲的过程,屈曲段的井壁约束力、钻柱弯矩和屈曲位移呈周期性变化;重力在水平井中对屈曲有较强的抑制作用;边界约束对屈曲的影响不可忽略;扭矩对屈曲的影响很小,可以忽略。     

钻柱与井壁碰撞的拉格朗日算法动力学仿真

在影响钻柱横向振动的诸多因素中,钻柱与井壁的碰撞起着首要的作用。根据连续介质力学和非线性有限元理论,给出钻柱碰撞井壁过程中钻柱的控制方程,并建立相应的有限元列式。采用显式时间积分方法求解基于拉格朗日算法的碰撞动力学方程。数值计算的结果较真实反映钻柱碰撞井壁的动态过程,并与前人的试验结果吻合良好。研究结果表明,在文中的算例情况下,钻柱与井壁碰撞所造的最大第一主应力达到308MPa,其结果远大于人们的估计;碰撞是造成钻柱先期失效的首要原因。该分析方法有效,可用于对钻柱动力学进行进一步的研究。采用显式非线性有限元技术可以对钻柱与井壁碰过程进行数值仿真分析,钻柱与井壁碰撞的整个时间历程得以全面细致地模拟再现。     

牙轮钻头纵向横向扭转振动动力学仿真研究

随着石油资源钻探难度的不断加大，有效地预测和控制井下钻头和钻柱动力学性能和运动规律，以提高钻头和钻柱的强度，实现对井眼轨迹的精确控制是目前钻井工程中的拟解决的关键技术难题。根据牙轮钻头的实际振动状态，分析了钻头产生各种振动的机理，讨论了钻头－岩石互作用力，用能量法建立了考虑牙轮钻头纵向、横向、扭转三个方向振动相互耦合的系统动力学模型，并结合实例对牙轮钻头系统进行了动态仿真。     

旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界问题研究

旋转钻柱与井壁的碰撞摩擦边界是钻柱动力学研究和摩阻扭矩计算的基础研究内容。介绍了6种钻柱与井壁边界问题的研究方法,借助有限单元法中构造形函数的思想,提出了时间历程形函数法,构造钻柱与井壁的动态边界。将构造的动态边界模型融入全井钻柱系统动力有限元模型中,研究了钻柱的动力学特性,根据仿真结果与现场实测数据的对比,验证了该研究方法的正确性和合理性。     

PDC钻头切削破岩机理及数值模拟研究

由于PDC钻头几何外形、岩石材料以及井底钻井工况的复杂性,PDC钻头切削破岩机理的研究一直都是难点问题。基于单齿切削机理,引入岩石比功ε,推导出钻井钻压W、扭矩t和切削厚度d之间的关系,建立切削比功E与钻井强度S的二维图;同时结合接触摩擦分量,分析并阐述了破岩过程的概念模型;通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型,开展PDC钻头切削破岩机理的研究,进一步分析PDC钻头破岩过程的响应规律。结果表明:岩石损伤与应力云图可直观反映钻井过程岩石损伤剥落形成井眼及井底应力分布状况;PDC钻头钻进方向的位移、加速度和扭矩响应规律与理论分析相一致,并揭示了PDC钻头钻进过程中的"进尺台阶"现象,亦佐证了破岩过程的概念模型。     

非线性转子-轴承系统的动力学特性及稳定性

研究非线性转子—轴承系统的动力学特性及稳定性。采用改进的自由界面模态综合技术给出一种自由度降阶方法,该方法将非线性油膜力及非线性自由度保留在物理空间,以增加非线性分析的精度,使降阶系统仍具有局部非线性特征。基于打靶法及将延续算法和打靶法相结合的轨迹预测追踪算法,研究系统非线性不平衡响应,结合Floquet理论分析非线性轴承—转子系统T周期运动的局部稳定性和分岔行为。     

用有限元法研究微细钻头振动钻入动力学特性

基于切削和振动理论 ,利用有限元技术对微细钻头振动钻入动力学特性进行了深入地研究。分析结果表明 ,振动钻削改变了普通钻削的钻入机理 ,显著提高了钻入定心精度 ,特别适合微小孔的精密和超精密加工。     

考虑横向惯性效应的钻柱纵向振动特性研究

在理论分析的基础上,提出利用改进Rayleigh-Love杆模型,研究考虑横向惯性效应的钻柱纵向振动问题。根据钻柱实际工作情况,以钻柱整体为研究对象,假设钻柱为能被分成若干个有阻尼特性的Rayleigh-Love杆,以及钻柱内外的钻井液为性质相同的弹性层,据此建立其力学模型和振动微分方程;利用模型中的边界条件和参数之间的关系,得到钻柱底部复阻抗的求解方法,求出钻柱底部动刚度的具体表达式;并分析了不同相关参数对钻柱动刚度的影响。研究结果表明:钻柱动刚度随着频率的增大呈现振幅逐渐增大的周期性变换规律;其他相关参数保持不变,频率相同时,动刚度的绝对值与钻柱长度成反比,与钻柱横截面面积成正比;阻尼系数越大,导致井底对钻柱的作用力也越大,钻柱动刚度的振幅反而越小;钻柱的泊松比越大,随着频率的增加,动刚度的变化周期越长。     

大型空间柔性梁的有限元动力学建模方法研究

在精确描述柔性梁变形的基础上,针对具有大范围运动的大型空间柔性结构的动力学建模方法进行了研究。首先利用有限元方法对空间柔性梁结构进行离散,导出其动能、势能及广义力,然后采用Lagrange方程建立系统的精确动力学方程。该方程包含各个方向的变形、变形运动与大范围运动的相互耦合项。     

PDC钻头主要几何参数的优化研究

PDC切削齿工作角由切削齿的齿前角和侧转角决定的,且工作角对切削齿切削效率和工作性能有着重要的影响.因而如何科学地设计切削齿的齿前角和侧转角在PDC钻头设计中是十分重要的内容.运用有限元软件参数化建模技术,对PDC钻头切削齿的齿前角、侧转角做了优化分析.从不同应用方面考虑,对这两个主要几何参数分别进行了单参数和双参数优化分析,得出了不同使用条件下的最优值,为钻头的合理设计提供了理论依据.     

考虑支承跨距的非线性转子系统动力学特性研究

根据主轴变形几何模型求得主轴前端总位移关系式,依据前端最小位移确定主轴的最佳支承跨距,进而建立了考虑支承跨距的转子轴承系统非线性动力学模型.运用数值积分方法,给出最优跨距支承下转子系统的非线性动力学响应,采用轴心轨迹、相图及Poincar6图分析了转速对系统动力学响应的影响.结果表明:当转子轴承系统在最佳支承跨距下运行...     

计及非线性变形的刚-柔耦合动力学建模

考虑变形产生的几何非线性效应对运动柔性梁的影响，在柔性梁的纵向、横向变形位移中均考虑横向弯曲以及轴向伸缩的耦合作用，从非线性应变-变形位移的原理出发，说明增加耦合变最后，剪应变为零，由此得出的变形模式更符合工程实际和简化需要。并采用有限元离散，通过Lagrange方程导出系统的动力学方程。最后对一带有中心体的柔性梁，在大范围运动为自由和大范围运动为已知两种情况下进行仿真计算，结果表明，在结构有初始变形的情况下，仅在纵向变形中计及变形二次耦合量的一次动力学模型，与考虑完全几何非线性变形的文中模型具有一定的差异。     

双转子-支承-机匣耦合系统非线性动力学响应分析

针对航空发动机安全可靠使用的现实问题,对某型航空发动机双转子试验器的转速、转子偏心量以及转速比等方面进行了研究。建立了考虑高低压转子中介轴承的耦合和机匣的弹性变形的简化整机有限元模型,将所建模型与文献中双转子系统算例的数据进行了对比,评价了理论模型的正确性;利用Newmark-β数值积分法求解了系统的非线性动力学响应。研究结果表明:偏心量的位置不同,高压转子与低压转子的振动响应幅值差异明显,当偏心量施加在高压转子部分时,系统的幅值响应更加复杂;转子系统的运动形态受高低压转速比的变化影响显著,系统可能做周期、概周期或者混沌运动。     

非线性Jeffcott转子-滚动轴承系统动力学分析

为了研究Jeffcott转子-滚动轴承系统的非线性动力特性,建立了其非线性动力学方程,并用自适应Runge-Kutta-Felhberg算法对其求解。利用分岔图、Poincaré映射图和频谱图,分析了参数、强迫联合激励的Jeffcott转子-滚动轴承系统的响应、分岔和混沌等非线性动力特性。结果表明,Jeffcott转子-滚动轴承系统有多种周期和混沌响应形式,其振动频率不仅有参数振动频率成分和强迫振动频率成分,而且有二者的倍频成分和组合频率成分;Jeffcott转子-滚动轴承系统的非线性特性随着径向游隙的增大而加剧。     

异形单牙轮钻头的传动比计算仿真模型研究

在牙轮钻头的几何关系以及动力学和运动学基础上,通过牙轮工作过程中的运动平衡和力矩平衡,建立牙齿与岩石的相互作用力以及牙轮扭矩、角速度、角加速度仿真模型。在仿真中将牙轮钻头连续转动过程离散化,通过对每个瞬时离散点的传动比的计算得到钻头的平均传动比。仿真模型中将牙轮钻头结构、岩石特性等参数综合考虑,使仿真模型更加贴切钻头实际钻进环境。仿真出来的平均传动比值对牙轮钻头设计、分析提供一定的参考依据。     

考虑截面形变的伸缩臂臂架动力学特性研究

针对伸缩臂臂架动力学模型过程繁琐、求解复杂和精度不高等问题,通过引入用于表示截面翘曲和畸变的高阶特征形变,提出了一种考虑截面变形模式的伸缩臂臂架动力学模型及其求解方法.首先,依据哈密顿原理和有限单元法,完成了对臂节模型的建模和求解;然后,分析了臂架连接处的截面位移连续性条件,在两节臂架于连接处位移场差值最小条件下,建立...     

基于有限元的牙轮钻头镶齿过盈量研究

以常用81/2-in三牙轮钻头镶装Ф14mm牙齿为研究对象,分析牙齿与齿孔装配时的过盈量影响规律,过盈量范围选择0.040--0.100mm,运用有限元软件ABAQUS模拟计算不同过盈量时的齿孔受力和变形,通过相互对比选择合理的过盈量范围。分析结果表明：随着过盈量增大齿孔受力增加,过盈量理想的取值范围在0.070--0.080mm之间,该结果对三牙轮钻头设计制造具有重要的参考作用。