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。     

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。     

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。     

考虑钻头-岩石非线性相互作用的钻柱动力学研究

钻头作为底部钻具组合的重要组成部分,直接与岩石接触,其动态特性对底部钻具组合有重要影响。提出了聚晶金刚石钻头（PDC钻头）与岩石的非线性相互作用模型,采用PDC钻头动态特性作为钻柱动态模型的边界条件。为了更真实地模拟钻柱动力学,基于哈密顿原理,采用梁有限元法建立了钻柱动力学模型,通过广义-α法求解,并分析了PDC钻头的动态特性。研究结果表明：轴向振动是钻头最剧烈的振动形式,而当轴向振动传递到钻柱时,产生大幅度衰减,横向振动成为钻柱的主要振动;中性点附近的钻柱不再与井筒碰撞,其运动轨迹接近井眼轴线。     

钻柱在钻井液和井壁摩阻共同作用下的涡动

把旋转钻柱简化为一内外有流体的柔性转子系统，分析了在内外钻井液流体作用下的钻柱涡动行为。研究表明，钻柱内钻井液将影响钻柱的受力状况及运动形式，钻柱外钻井液使钻柱承受一个与其旋转运动速度同向的侧向力，加大了钻柱涡动行为；钻柱与井壁接触摩擦，使钻柱在低速时也发生涡动。建立和求解了内外钻井液对钻柱动压力的数学模型，探讨和描述了内外钻井液作用下钻柱涡动过程的动力学机理和运行规律，得到了钻柱涡动失稳的临界条件。     

轴向载荷作用下细长柔性旋转梁横向振动响应分析

将水平井柔性钻柱简化为轴向载荷作用下的细长柔性梁,建立了考虑几何大变形的非线性动力学方程,并且利用多重尺度法得到了柔性梁横向振动的平均方程。因钻柱转速和轴向力是影响钻柱振动的两个主要参数,故用改变转速的方法来对平均方程进行非线性动力学响应分析,给出了一阶、二阶模态下钻柱随转速变化的分叉图和不同转速下的相图。分析结果表明,系统响应经历了从周期到混沌再到二倍周期的变化过程,振动幅值有跳变现象出现,在共振条件下,柔性旋转梁振动幅值是有限值,并非无穷大,当轴向力发生变化时,可以通过控制转速变化达到定性、定量地控制柔性钻柱横向振动的目的。     

考虑摩擦作用的多柔体系统点--面碰撞模型

提出了考虑摩擦作用的多柔性体系统的点－面碰撞模型,基于Ｈｅｒｔｚ接触理论和非线性阻尼项描述法向碰撞接触过程的动力学特性,利用线性届接触刚度考虑碰撞过程中的摩擦作用。针对作大范围回转运动的柔性梁与一固定斜面发生碰撞的情况,在考虑刚柔耦合效应的多柔性系统动力学建模理论的基础上,精细研究了系统斜碰撞过程中的动力学行为。     

层合壳反射面星载天线大范围指向行为特性分析

为了研究柔性反射面几何非线性和耦合效应对大范围运动星载天线的精确动力学行为,以多层层合间结构特性的反射面为研究对象,采用三节点壳单元结构对反射面变形位移进行精确描述,并考虑天线大范围运动和反射面厚度方向变形、横向、侧向弯曲变形以及扭转变形的耦合作用,利用Lagrange方法推导大范围运动星载天线的精确非线性动力学模型,所建立模型包含层合间的结构特性与非线性耦合项。针对线性模型和非线性模型,分别对星载天线系统进行仿真对比分析,结果表明,线性模型过早忽略几何非线性和耦合变形作用,随着转动角速度增大,动力学特性将产生差异,而非线性模型适合于大范围柔性反射面天线指向过程,可精确地预测星载天线的指向精度。结论对星载天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

铁路货车横向非线性动态行为的理论与试验研究

运用车辆－轨道耦合动力学理论,建立三大件式转向架货车与轨道结构耦合动力学模型,详细考虑货车系统非线性特性,包括轮轨接触非线性、轴箱间隙非线性、楔块干摩擦非线性及转向架抗菱刚度非线性等。以我国广泛运用的转8A转向架货车为例,从理论上分析货车的横向非线性运动稳定性。结果表明,空车蛇行失稳临界速度仅为78 km/h。实车运行试验的结果表明,当该型货车空车以75 km/h速度在直线轨道上运行时,车体表现出剧烈的横向蛇行运动现象,蛇行运动主频为2.69 Hz,蛇行波长为7.745 m。     

转子径向碰摩非线性流固耦合动力学特性全自由度的动态分析

基于Jeffcott转子模型,用6自由度方法研究考虑涡轮非线性流固耦合力的转子径向碰摩动力学特性.通过响应分叉图、波形图、频谱图、轨迹、Poincaré图以及频率瀑布图分析在涡轮非线性流固耦合力作用下转子径向碰摩的动力学表现.与不考虑涡轮非线性流固耦合力相比,转子的径向碰摩的稳定运动区大大减小,转子的碰摩转速门槛值也相应降低,并且碰摩一开始系统振动就出现比较复杂的运动形式;轴向振动的频谱中明显出现了密集的超谐波群,扭转振动的频谱中则明显出现了密集的亚谐波群,这种具有混沌特征的频率成分代表了系统在碰摩力和涡轮非线性流固耦合力作用下的主要运动形式;在整个转速范围内,横向振动几乎具有单一的同步频率成分,轴向振动则表现出非常丰富的超谐波频率成分,这些频率成分主要分布于三个随转速的增加分别向三个固定的频率逼近且幅值逐渐升高的密集超谐波频带,扭转振动则在1/2倍频附近表现出丰富的亚谐波频率成分,其幅值也随转速的增加而逐渐升高.上述结论对涡轮转子系统的动力学设计和故障诊断具有重要意义.     

Coupled bending and torsional vibration of a rotor system with nonlinear friction

Unacceptable vibrations induced by the nonlinear friction in a rotor system seriously affect the health and reliability of the rotating machinery. To find out the basic excitation mechanism and characteristics of the vibrations, a coupled bending and torsional nonlinear dynamic model of rotor system with nonlinear friction is presented. The dynamic friction characteristic is described with a Stribeck curve, which generates nonlinear friction related to relative velocity. The motion equations of unbalance rotor system are established by the Lagrangian approach. Through numerical calculation, the coupled vibration characteristics of a rotor system under nonlinear friction are well investigated. The influence of main system parameters on the behaviors of the system is discussed. The bifurcation diagrams, waterfall plots, the times series, orbit trails, phase plane portraits and Poincaré maps are obtained to analyze dynamic characteristics of the rotor system and the results reveal multiform complex nonlinear dynamic responses of rotor system under rubbing. These analysis results of the present paper can effectively provide a theoretical reference for structural design of rotor systems and be used to diagnose selfexcited vibration faults in this kind of rotor systems. The present research could contribute to further understanding on the self-excited vibration and the bending and torsional coupling vibration of the rotor systems with Stribeck friction model.     

基于ANSYS的钻柱振动规律分析

根据牙轮钻头与井底岩石互相作用的特点,将钻柱视为一连续的管梁结构,采用ANSYS工程软件,对钻柱纵向振动规律进行了分析。结果表明:钻柱系统各阶振动固有频率相差约1Hz左右,容易出现共振。高频振动时,钻柱出现"分段振动"的特点,下部钻铤动态力显著增加;转盘转速对钻柱振动的影响较大,当接近共振点时,下部钻铤螺纹联接处动态力呈数量级增加;钻压对钻柱振型、轴向动态力的影响不大。     

电动机--复合材料连杆机构系统的动态响应

以三相交流电机——含三维编织纤维复合材料构件的连杆机构系统为研究对象,根据电机轴存在横振和扭振这种普遍情形以及三维编织复合材料的细观结构及特点,应用有限单元法建立了包含复合材料参数、电磁参数和机构的结构参数的系统动态方程,推导出了系统的自激惯性力,得出了自激惯性力及系统的非线性特性,通过研究发现了该系统的动态响应不仅与复合材料的细观结构参数与组分材料参数、连杆机构的结构参数和电机的电磁参数有关,而且还与电机轴的横振有关。最后通过实例仿真进行了验证。     

Research and experimental analysis of drill string dynamics characteristics and stick-slip reduction mechanism

Stick-slip of the drill string, as one of the critical factors affecting drilling efficiency, has always been a hot topic for experts and scholars in related fields. Serious stick-slip vibration affects the well construction efficiency, drilling cost and even lead to a downhole accident. Therefore, based on the current research, this paper takes a new type of composite vibration tool as the research object, studies the working mechanism of the tool and analyzes the effect of stick-slip reduction. After establishing the multi-degree-of-freedom torsional dynamics model, we obtained the results of torsional vibration dynamics by cases analysis based on working conditions and related mechanical parameters. In addition, the results of the examples, compared with the field experimental data, verify that the vibration shock generated by the new composite tool can effectively reduce the torque fluctuation range of the system, avoid the occurrence of stick-slip phenomenon, improve the ROP (rate of penetration), and make drilling process more stable. This paper can provide reference for the optimization and development of stick-slip technology in drilling engineering, and the theoretical methods can also be developed to study the dynamics of drill string.     

含柔性转子的齿轮-轴承系统动态特性分析

为了分析齿轮系统动力学中的全耦合振动,提出采用虚拟样机建模的方法,将柔性转子引入到啮合耦合系统中,考虑齿轮时变啮合刚度、齿侧间隙和轴承间隙的影响,建立齿轮-柔性转子-轴承系统虚拟样机模型,通过求解模型的动力学方程得到系统的非线性动力学响应。仿真结果表明:考虑柔性转子的耦合系统,啮合冲击峰值下降明显;转子柔性增加,齿轮低频扭转振动出现"拍"现象;高速轻载时啮合振动非线性特性增强;轴承间隙增大使啮合力振动幅值显著增大。     

行星耦合PHEV模式切换过程全频段瞬态扭振特性分析与主动抑制

混合动力车辆模式切换过程中存在多源宽频段激励耦合,进而引发较大瞬态扭振,严重影响驾驶品质。以行星耦合PHEV为研究对象,建立考虑非线性啮合刚度、齿侧间隙以及离合器滑摩的混动系统瞬态扭振模型,选取混合动力车辆行车中启动发动机的典型工况,基于连续小波变换理论,展开各激励因素在全频段下对系统扭振影响特性分析,进一步设计考虑齿轮扭振特性的混杂模型预测控制器,进行宽频段瞬态扭振主动抑制。结果表明,齿轮间隙造成的脱齿-碰撞现象,加剧车辆模式切换过程中10～100 Hz低频扭振(整车层面纵向冲击),同时引发系统10～100 kHz高频扭振(耦合机构层面转矩振荡),而齿轮非线性刚度波动则主要集中在对系统高频扭振的影响。据此建立的考虑齿轮扭振特性的混杂模型预测控制器,将整车冲击度峰值降低47.8%、切换过程高频扭振方均根值降低33.2%,有效提升了驾驶舒适性和混合动力耦合装置使用寿命。     

Vibration analysis of new drill string system with hydro-oscillator in horizontal well

With the growth of oil and gas resource demand, the hydro-oscillator is widely used to enhance the Rate of penetration (ROP) and improve the efficacy in drilling various wells. The vibration model is the key issue of dynamics analysis and optimization of downhole tools. For the vibration analysis of the new drill string system with hydro-oscillator in the horizontal well, based on the design of the new hydro- oscillator and its operation conditions, the kinematics expressions are presented. Combined with the vibration force calculation results of the hydro-oscillator, the dynamics model of the new drill string system is established. Furthermore, the important features of vibration frequency, displacement, velocity and acceleration are discussed in the numerical example calculation results. By comparing the results of the calculation and experiment test, we can verify the correctness of the analysis model. With the hydro-oscillator vibration effect, the static friction between the drill string and wellbore is changed to the dynamic friction, so it can result in a significant increase in run length. At the same time, the ROP can be enhanced with the vibration effect. Moreover, with the parameters’ adjustment according to the operation conditions, the analysis method and model can also provide references to the study of similar downhole tools dynamics or mechanical properties.     

底部钻柱近钻头动态力测量及声传输方法

为研究随钻测井时底部钻柱近钻头动力学特性,设计直梁应变片式测力传感器,研制一种基于虚拟仪器平台的模拟钻柱动态力无线测量装置,用于模拟钻柱旋转过程中轴向力、侧向力和转矩的多线程检测。在此基础上,比较井下数据传输方法,以纵波为传输载体,设计模拟钻柱声传输装置,对动态力数据进行脉冲时延和OOK(On-off keying)调制,沿管轴方向对有限长模拟钻柱施加纵向激励,进行模拟钻柱信道动态力测试信号的声传输试验。结果表明,系统在实验室内实现动态力数据经时延脉冲OOK信号调制后沿模拟钻柱信道的低频声波传输,为近钻头传感器测量数据的低频声传输系统的应用提供理论与试验依据。