钻柱黏滑振动特性仿真与产生机理分析

针对钻探作业中产生的钻柱黏滑振动现象,研究了仿真环境下钻柱系统的黏滑振动特性与振动产生机理。基于振动理论,建立了井下钻进系统的双自由度弹性模型,提出了一种模拟钻头-岩石摩擦力矩的算法;构造了钻进系统结构图,模拟了钻柱黏滑振动的变化规律,并通过极限环分析钻柱黏滑振动的产生机理;绘制钻井参数与振动幅值和周期的关系曲线,讨论了钻井参数对钻柱黏滑振动的影响。仿真结果表明,钻柱黏滑振动主要表现为钻头周期性地黏滞和滑动,属于一种由非线性摩擦力引起的自激振动;钻井参数的改变影响钻柱黏滑振动的剧烈程度。     

基于状态反馈和扭矩前馈钻柱黏滑振动控制系统

钻柱黏滑振动现象广泛存在于油气井的勘探开发。该振动容易造成钻柱连接松动,加快钻井部件的磨损和失效,从而降低钻井效率、威胁钻井安全。为了抑制钻柱黏滑振动,提出一种状态反馈和扭矩前馈结合的控制方案。基于建立的钻进系统双自由度集中参数模型,设计一种状态观测器,可以估计钻进系统难以测量的井下状态。并设计一种参考值优化算法,可以根据钻头与岩石间的摩擦扭矩,实时计算所有状态参考值和前馈扭矩输入量。结合状态观测器和参考值优化算法,实现了全维状态控制器的设计。仿真结果表明,在变化的非线性摩擦扭矩下,设计的控制方案对钻柱黏滑振动起到了良好的抑制效果。井场实验表明,设计的控制器可以应用于抑制钻井现场产生的钻柱黏滑振动现象。     

非线性子系统的大振幅时域自激力模型

针对强风作用下的大跨度桥梁或高速飞行中的机翼可能出现大振幅颤振响应,而现有时域自激力模型又无法模拟大振幅下的非线性气动力问题.提出一种新的非定常大振幅自激气动力模型及其参数拟合方法,新模型通过附加非线性微分方程组及附加气动力自由度来模拟气动力记忆效应及振幅非线性特性.对于同一主梁断面,使用一组模型参数即可模拟不同折算风速和不同振幅下的自激力,模型参数可通过风洞试验或CFD数值模拟结果拟合获得.结果表明,新模型能再现自激力阻尼特性随折算风速和振幅的变化,通过单频振动拟合得到的新模型能再现多频振动下的非线性自激力时程.     

井筒中钻柱系统非线性螺旋屈曲稳定性分析

针对钻井过程中钻柱工作载荷或钻压超过某一临界值导致钻柱失稳现象,建立了钻柱非线性稳定性问题的分析模型,用数值分析的方法对整个钻柱系统的非线性屈曲过程进行了有限元仿真分析,解释了钻柱的失稳机理以及钻柱自重、钻压、转速、扭矩和井斜角等因素对钻柱屈曲的影响规律,研究了钻柱在井筒中发生屈曲时的位移、受力状况和各种工况下的失稳临界载荷.结果表明,在相同条件下钻柱螺旋屈曲临界载荷随井斜角增大而增大,呈非线性变化;临界载荷随扭矩的增大而减小,井斜角较大时临界载荷减小的幅度较小.对钻柱在井筒中的非线性屈曲行为研究和钻具组合设计的优化具有一定的参考价值.     

高速推包机构驱动系统动力学建模与分析

为分析自动化码垛系统中推包机构在高速化作业条件下存在的动力学问题,建立了推包单元电机驱动系统的动力学模型,推导获得其振动微分方程,并进行了振动响应分析.研究结果表明,弹性联轴器的使用使得偏心距引起的激振力以及电机工作时产生的激振力对推包机构驱动轴系振动的影响作用明显减弱,从而改善了振动系统的动态特性.研究分析证实弹性联轴器非线性刚度系数和非线性阻尼系数的增加对轴系振幅有较大的抑制作用,而且非线性阻尼系数有比非线性刚度系数更为突出的影响效果.     

下部钻柱有限元动力学仿真研究

针对下部钻柱在钻井过程中的振动状态,分析了振动机理,并建立下部钻柱组合节点单元三维动力学模型,运用强迫频率理论和高斯列主消元法对动力学方程组进行求解,得到不同转速下的最大径向变形及弯曲应力,绘出相应的幅频响应曲线,确定相应的临界转速.研究表明,钻柱转速对钻柱振动影响较大,通常钻柱工作转速要避开钻具组合谐振频率,可减缓钻柱振动,保护钻柱.     

基于非线性动态特性的轴承–转子系统振动分析

随着空气静压主轴在超精密加工过程中的广泛应用,对主轴的运动精度的要求不断提高,如何准确预测和提高主轴运动精度是十分必要的。基于空气静压轴承的非线性动态特性,研究空气静压主轴的振动特性和预测模型,探索非线性动态特性分析对主轴回转精度的影响。首先,对空气静压径向轴承的动态特性进行分析,建立气膜动态流动模型,采用扰动法求解模型得到轴承的非线性动刚度与动阻尼系数。将空气静压轴承内的气膜作为弹簧阻尼系统建立轴承–转子系统,并通过动力学分析建立了轴承–转子的动态振动模型。将轴承的非线性动态特性参数引入振动模型,结合MATLAB对模型进行求解,得出了空气静压主轴径向跳动误差曲线、偏转误差曲线和径向总振动误差曲线,并通过FFT数据处理对振动进行频域分析。通过对比分析得到非线性分析对空气静压主轴径向振动误差的影响。最后,搭建了空气静压主轴径向回转误差测量试验台,得到主轴实时回转误差信号,实现轴承–转子系统的振动动力学模型分析的实验验证。从空气静压径向轴承的动态分析可以看出,轴承的动刚度和动阻尼均呈非线性变化,随着偏心率的增加动刚度不断增加,而动阻尼不断减小。从轴承–转子系统的振动分析可以看出：1）非线性分析对主轴偏角振动误差有明显影响,而对径向跳动误差的影响不明显,说明非线性分析主要通过影响主轴的偏角误差从而影响径向总误差。2）定值分析时偏角误差的最大振幅基本稳定,而非线性分析时偏角误差的最大振幅存在一个增加过程并最终趋于稳定,并且非线性分析时最大振幅明显大于定值分析时的振幅。3）在供气开始一段时间内,非线性分析与定值分析下的径向总误差基本一致,但随着时间的增加,非线性分析下的最大振幅大于定值分析下的最大振幅,说明开始供气时非线性分析对径向跳动误差和偏角误差没有造成明显影响,当供气稳定时非线性的动刚度与动阻尼会对主轴转子振动幅度产生明显影响。4）从频域上看,非线性分析最大振幅处的共振频率为964 Hz,定值分析最大振幅处共振频率为986 Hz,非线性分析使最大振幅处的共振频率有所下降。5） 非线性分析和定值分析在频率高于1 500 Hz时,转子的振幅变化都很小,说明频率大于1 500 Hz之后,转子振动比较稳定,此时气膜的振动频率与固有频率不容易发生共振。空气静压主轴回转误差实验的结果表明,基于非线性分析所得的主轴径向回转误差的误差率比定值分析所得主轴径向回转误差的误差率降低了1.43%～6.54%。因此,将空气静压径向轴承内气膜作为弹簧阻尼系统施加于转子之上可以实现轴承–转子系统的耦合振动分析,轴承非线性动态特征参数的引入实现了轴承动态性能对主轴动态振动的影响,通过基于非线性动态特性的轴承–转子系统的振动分析可以更加准确地研究和预测空气静压主轴的径向振动误差。     

超磁致伸缩超声振子预紧特性对输出振幅的影响规律

为了开发出高稳定性的大功率旋转超声加工系统,采用超磁致伸缩材料研究超声振子预紧特性对输出振幅的影响规律。基于机电等效电路类比原理,建立了超声振子等效电路模型,推导出超磁致伸缩超声振子的振幅输出模型。通过阻抗分析对系统等效刚度、等效阻尼以及机电转换系数进行参数辨识,提出以实际能量转换效率表征系统振幅特性,研究了超声换能器预应力和变幅杆预紧扭矩对系统的影响规律。研究结果表明,超声振子的振幅特性受到超声换能器预应力和变幅杆预紧扭矩的影响,因此,需综合考虑预紧机构的强度和振幅稳定性等因素,在有效的频率跟踪精度范围内优化设计预紧机构参数,改善超声振幅特性。     

竖直井底部钻具动力学特性的有限元分析

在石油钻井过程中,钻柱的运动过程非常复杂,不仅存在纵向、横向、扭转振动,而且还与井壁发生随机接触碰撞和摩擦.充分考虑钻柱与井壁以及钻头与岩石的随机碰撞作用,建立了竖直井底部钻具系统(BHA)非线性动力学有限元模型,研究了工作过程中的BHA系统的纵向、横向和扭转振动,分析了钻柱在受到井壁约束下的瞬态动力响应特性,探讨了B...     

一类阻尼消振系统的稳定性(Ⅰ)

引言在许多系统与结构中发生的自激振动常常导致系统与结构的破坏,工程中常采用消振器来抑制及消除自激振动。A Toudl[1][2]及钟一鍔等[3]曾就某些消振系统进行过消振分析。他们采用的方法是应用 Routh——HurWitg 条件对系统的稳定性作图解分析,从而说明参数变化范围如何,才能达到。消振或削弱自激振动的振幅的目的。本文用构造函数的方法讨论阻尼力为Rayleigh型的自激振动系统,考虑附加阻尼消振器之后系统稳定性的性质。分两步进行,第Ⅰ部分对非线性参数很小的     

TiNi形状记忆合金的阻尼特性及应用

从工程中一种常见的机器隔振模型出发 ,运用导纳模态方法 ,得出了输入到基础梁的功率流表达式 .根据试验数据模拟了形状记忆合金的超弹性循环曲线并计算了TiNi形状记忆合金丝在一定振幅下循环加卸载时的超弹性等效阻尼 ,并将记忆合金丝作为一种等效阻尼材料应用到隔振模型中 .通过计算机仿真 ,得出在此模型中使用记忆合金丝作为阻尼材料及用与合金丝在几个频率时的等效阻尼相当的普通阻尼材料时输入到基础的功率谱图 ,分析了记忆合金作为阻尼材料时对模型隔振效果的影响 ,从而得出其作为阻尼材料的优越之处     

TiNi形状记忆合金的阻尼特性及应用

从工程中一种常见的机器隔振模型出发，运用导纳模态方法，得出了输入到基础梁的功率流表达式，根据试验数据模拟了形状记忆合金的超弹性循环曲线并计算了TiNi形状记忆合金丝在一定振幅下循环加卸载时的超弹性等效阻尼，并将记忆合金丝作为一种等效阻尼材料应用到隔振模型中，通过计算机仿真，得出在此模型中使用记忆合金丝作为阻尼材料及用与合金丝在几个频率时的等效阻尼相当的普通阻尼材料时输入到基础的功率谱图，分析了记忆合合作为阻尼材料时对模型隔振效果的影响，从而得出其作为阻尼材料的优越之处。     

新型扭转振动工具动力学模型与降黏特性

在油气开采过程中，随着钻井深度的增加，岩石硬度加大，井下摩擦阻力较大，钻柱系统易发生粘滑振动，这将导致部件过早发生故障，钻井作业效率低下，因此对于粘滑控制技术的研究具有重要意义。结合钻井过程中的实际工况，提出了一种新型扭转振动工具，建立了基于该工具的钻柱系统扭转振动模型以及非线性动力学模型，分别进行了算例分析与实验测试以研究工具的降粘效果。算例分析时采用控制变量法，首先在给定转盘转速、钻压的情况下，对比分析了有/无工具时的钻柱系统各部件角速度，然后在相同钻压、不同转盘转速和相同转盘转速、不同钻压的情况下，分别对钻柱系统中有/无工具时的钻头角速度进行了求解；在实验过程中，对同一口井进行了有/无工具的测试，并结合未使用该工具的相邻井录井数据，分析了该工具的降粘效果。研究结果表明：在相同工况条件下，使用该扭转振动工具，可明显消除或抑制粘滑振动，同时，适当增大转盘转速，适当降低钻压可在一定程度上抑制钻柱的粘滑振动；在误差允许范围内，理论计算结果与测试结果相符合，验证了理论模型、求解方法以及算例分析的正确性。所提出的新型扭转振动工具、建立的动力学模型与研究结果对于减少粘滑振动、提高破岩效率具有重要参考意义。     

悬浮隧道管体及锚索耦合作用的涡激动力响应

为了解决悬浮隧道在水流作用下的动力响应问题,对管体及锚索系统的参数振动和涡激振动进行了研究.利用Hamilton原理,通过综合考虑悬浮隧道管体和锚索系统的耦合振动效应,推导了锚索-管体耦合系统运动的微分方程组,采用变量分离及振型叠加法对其进行求解简化,同时对5种典型工况和参数设置下的锚索跨中位置和管体跨中位置的位移时程曲线进行了计算和比较,分析了悬浮隧道锚索-管体耦合系统振动的非线性特性.结果表明：锚索与管体之间耦合振动呈现“拍”的特征,管体的初始扰动对锚索瞬态振幅有很大影响,锚索的涡激振动能激发系统的参数振动,系统稳态振幅取决于涡激力的大小,锚索合理倾斜角在45o～60°之间.     

水平面滑移物体产生的摩擦阻尼

分析了滑动物体在结构振动时所产生的运动,通过对振幅的衰减作用,换算出等效粘滞阻尼性,归纳了该阻尼的变化规律。     

悬臂双盘-轴承转子系统幅频特性分析

目的研究转子系统幅频特性抑制振幅,为提出一种更优化的鉴别方法——振幅跳跃.方法建立具有碰摩故障的八个自由度悬臂双盘-轴承转子系统的力学数学模型,利用计算机数值模拟分析系统的幅频特性.结果该转子系统存在两个临界转速;阻尼能有效地抑制振幅,但当阻尼达到一定值时,再增大阻尼对抑制振幅效果不明显,阻尼使一阶临界转速提高、工作转数范围变窄;碰摩使一阶临界转速提高,共振振幅增大,在低频段出现振幅跳跃现象,随着碰摩间隙的减小,振幅跳跃现象更加复杂.结论在振幅跳跃转速范围,系统的拓扑结构发生了变化,故会出现混沌运动,为研究混沌运动提供一种新的方法.     

非线性包装系统对简谐激励的响应

用林斯泰特法求解非线性包装系统对简谐激励的响应 ,求解结果表明 ,在环境激励不够强烈而系统阻尼又较大的的特定条件下 ,非线性系统主共振的幅频曲线与线性系统相当接近 ,脊骨线无明显弯曲 ,激振频率通过主共振区时振幅无跳跃现象 ,产品加速度时间曲线的波形、峰值、频率与线性系统差别不大 ,因此 ,用线性理论分析包装系统的振动是有实用价值的     

惯性往复振动机械阻尼值设计的理论研究

建立了双旋转偏重激振的惯性往复振动机械的状态方程,将该状态方程与两驱动电机的状态方程一起组成机电耦合系统的数学模型,对不同阻尼的机电耦合数学模型进行数值求解,得到不同阻尼时系统的瞬态和稳态解.通过综合分析系统阻尼对最大共振振幅、启动时间、稳态功率消耗及阻尼力的影响,提出了惯性往复振动机械阻尼率的合理设计值为0.1左右.     

斜齿轮修形对负载扭矩和啮合错位的敏感性

基于齿面承载接触分析方法,建立了修形斜齿轮时变啮合刚度、静态传递误差和综合啮合误差计算模型。以系统振动激振力波动量最小为目标,确定了设计负载扭矩和理想啮合状况下3种修形方式的最佳修形参数,并分析了3种修形方式对斜齿轮时变啮合刚度、静态传递误差以及综合啮合误差的影响。通过考察宽范围负载扭矩和啮合错位影响下的修形斜齿轮系统振动激振力和动态传递误差,分析了3种修形方式对负载扭矩和啮合错位的敏感性。研究表明:采用不同修形方式的斜齿轮时变啮合刚度、静态传递误差以及综合啮合误差差别较大,然而系统振动激振力波动量均得到了显著降低。当负载扭矩大于设计扭矩时,3种修形方式仍有较好减振效果。当负载扭矩过小时,3种修形方式的齿轮系统振动将大于未修形齿轮系统,且共振转速略有降低。随着啮合错位量的增加,系统共振转速逐步降低,且3种修形方式的减振效果均逐渐降低,直至不再具有减振效果。研究结果可为进一步建立齿面修形稳健设计方法提供有效参考。     

拉索减振阻尼器的性能试验研究

工程中普遍采用技术较为成熟的油阻尼器抑制斜拉桥拉索的面内及面外振动.在目前的技术水平条件下,试验仍然是评价阻尼器性能的主要手段.本文进行了双阻尼器及其实索固定装置组合系统足尺试验研究,其目的是为评估阻尼器安装在实桥上时的阻尼性能,主要是连接件缝隙等因素对阻尼性能的影响.其中拉索是用钢管模拟,并与作用器连接,以施加该阻尼器所适用拉索的自振频率及振幅范围内的正弦荷载.通过记录激振位移和阻尼力时程,以计算评估阻尼效果所需的等效阻尼系数.试验结果表明:阻尼器在实际安装状况下具有较好的阻尼性能,且都具有非线性特性.