油气井密封结构的变形与失效行为研究进展

在今后相当长一个时期,石油和天然气依然是人类的主要能源.油气井密封是油气开采中最重要的作业之一,在水平钻井、水力压裂等最新的油气开采技术中发挥着重要的作用,促进了页岩气等非常规油气开采的发展.密封质量会直接影响油气井的安全和生产效率,密封元件的失效可造成严重的环境污染和生命财产损失.因此,深入理解密封元件的失效行为,对于油气井安全评估具有重要意义.水泥和可溶胀高弹体密封是两种最主要的密封方式.水泥密封已有百余年历史,溶胀式高弹体密封则是一种相对较新的密封技术.本文介绍这两种油气井密封结构变形与失效行为的国内外最新研究进展.首先,介绍固井水泥环固化过程中的应力演化、生产作业导致的应力、水泥环的失效模式和失效判据方面的研究进展;然后,介绍溶胀式高弹体封隔器的基本原理、力学理论、测试方法、失效模式及失稳等方面的研究进展.      

深部高地应力下岩石力学行为研究进展

越来越多的煤矿和金属矿进入深部开采.随着开采深度的增加,一系列工程灾害如岩爆、煤与瓦斯突出、顶板垮落、底板突水等日益严重,且深部开采中巷道与采场的维护理论也与浅部有十分明显的区别.人们认识到这种差别的根源在于岩石所处的赋存环境上的差异,深部与浅部在赋存环境上的差别是所谓``三高''即高地应力、高地温和高孔隙水压,尤其是高地应力条件下岩石表现出十分特殊的力学行为.简要介绍了深部开采现状、深部开采面临的技术难题以及深部岩体所处的高地应力环境,在此基础上,综述了深部高地应力条件下有关岩石力学性质的研究进展,包括高应力条件下岩石的脆-延转化特性、岩石的流变特性、岩石的强度特征、岩石的破坏特征尤其是岩爆等.文章最后指出深部条件下热-水-力耦合模型是一个值得关注的研究方向.      

钻井-固井过程软泥岩井筒结构完整性分析

在建立套管-水泥环-软泥岩地层井筒结构力学模型的基础上,基于多物理过程数值方法,研究了钻固井过程中近井区地层与固井水泥环的塑性损伤形变与应力演化规律。结果表明:钻井成孔过程和渗流-应力耦合效应为软泥岩地层井筒结构失稳的重要机制,固井水泥硬化过程可进一步促进近井区地层的塑性损伤,但程度有限;固井过程中,水泥环内产生的环向拉应力与径向压应力是导致水泥环开裂失效的主要原因;采用低弹性模量、高泊松比固井水泥浆体系可改善固井水泥环受力形态,有利于维持井筒结构在后期生产作业过程中的完整性。     

弹体斜侵彻双层钢板的结构响应和失效研究

为探究弹体斜侵彻多层钢板的结构响应及失效规律,开展了圆形、椭圆和非对称椭圆三种截面弹体对双层钢板的斜侵彻试验,获得了不同弹体的弹道特性和结构失效情况。在此基础上,采用有限元软件对弹体斜侵彻过程的弹道特性、动态载荷以及结构响应进行了数值分析。基于空间自由梁理论和弹体动态载荷,给出了侵彻过程中弹体轴力和弯矩的分布规律,建立了弹体结构强度与失效分析方法。结果表明,弹体以正着角水平侵彻多层钢板时,存在一个临界攻角;当攻角小于临界值时,侵彻过程中会出现弹体低头、弹道向下偏转的现象;当攻角大于临界值时,则出现弹体抬头、弹道向上偏转的现象;该临界攻角随着靶板厚度的减小而增大。对于强度高、韧性低的弹体,失效模式为脆性断裂,断裂位置距头部0.72～0.81倍弹长,弹身后部所受横向冲击载荷是造成弹体断裂的主要原因。建立的弹体结构响应模型可准确预测弹体断裂失效及发生位置。此外,在三种截面弹体中,非对称椭圆弹体的断裂位置更接近头部。     

超高强度平头圆柱形弹体对低碳合金钢板的高速撞击实验

为分析不同组分低碳合金钢板抗超高强度低碳合金钢弹体的高速撞击性能及破坏模式,以两种典型防弹特种钢SS、AS以及常见的Q235A钢为研究对象,通过静态拉伸、静态压缩及动态压缩测试,获得静态拉伸和压缩性能参数以及1 000~6 000 s-1应变率范围内的力学行为,分析了材料组分与力学性能的相关性。采用弹道枪加载撞击方法,获得了两种超高强度合金钢平头圆柱形弹体对3种钢板(14.5~15.9 mm厚)的弹道极限速度,通过分析获得了不同工况下的极限比吸收能,讨论了合金钢板在弹体高速撞击下破坏模式的差异,分析了材料力学性能与破坏模式的相关性。研究表明:3种合金钢板抗弹体撞击性能与材料屈服强度正相关,但其性能间的差异远小于屈服强度间的差异;在超高强度合金钢平头圆柱形弹体的高速撞击下,3种钢板的失效机制与其力学性能密切相关,Si和Mn含量高的AS钢呈硬脆性特征,其断裂失效主要取决于材料的剪切强度,而Si和Mn含量较低的SS钢和Q235A钢具有良好的塑性,其断裂失效主要取决于材料的压缩强度和剪切强度。     

单轴拉伸下液晶高弹体力学行为的热力序耦合特性

本文利用液晶高弹体的应力－应变本构方程和力－序耦合方程,研究了沿指向矢单轴拉伸下液晶高弹体力学行为的热力序耦合特性。由于力－序耦合,有序度在拉伸作用下变大,从而影响了液晶高弹体的应力－应变关系,使得应力在相同伸长下变小。不同温度下应力受到有序度变化影响的程度不同.由于有序度随温度升高而减小,当工程应力不变时,伸长随着温度升高而减小;当伸长不变时,应力随着温度升高而增大;伸长随温度的变化关系和应力随温度的变化关系都呈非线性。     

核主泵静压型轴封系统二级密封机理研究

核主泵轴密封是核电设备的关键部件之一,探究其密封机理,实现国产化设计,具有重大意义.核主泵静压型轴封系统二级密封一般设计为一级密封失效时承受全部载荷.所研究的二级密封结构全压差(15.5 MPa)工作时的密封机理尚不明确.本文中采用流固耦合模型研究了一级密封失效时,二级密封的工作机理.结果表明:一级密封失效时,二级密封是非接触式静压型密封.在压差和动环变形环板变形产生的力的共同作用下,密封端面形成锥角为1 300.9μrad的收敛间隙;当入口水温65℃时,泄漏率为1 867.8 L/h.动环变形环板的变形有阻碍动环变形锥角增大的作用.动环变形环板厚度越大,密封泄漏率越大.密封介质入口温度以及材料的摩擦性能对密封性能亦有影响.此外,一级正常工作时,二级密封是接触式形式,采用混合润滑模型对其性能作了分析,分析表明一级密封正常工作时,二级密封压差约为0.17 MPa,密封为混合润滑状态,泄漏率为11.4 mL/h,端面温升23.9℃.     

基于细观建模的电子束预控弹体破裂机理数值研究

为研究电子束预控弹体的破裂机理。提出了基于电子束预控弹体细观几何特性的参数化建模方法,建立了含基体、熔融区、过渡区和空腔区弹体的三维有限元模型,采用LS-DYNA软件对典型弹体的爆炸驱动和破裂过程进行了数值模拟分析。结果表明:电子束预控弹体破裂过程可分为:弹体膨胀后的空腔区在环向拉应力作用下产生拉伸断裂、过渡区产生裂纹扩展和拉伸断裂以及空腔区底部基体在两侧拉应力和底部压应力作用下产生与弹体内壁法线呈45°的剪切破坏3个阶段。数值模拟结果与回收的破片截面形状和破坏模式吻合较好。研究结果对电子束预控弹体破片成型控制具有参考价值。     

在冲击弹体作用下梁的反直观行为研究

用数值模拟方法,分析简支梁在弹体冲击下梁的反直观行为.研究了在跨中受弹体冲击引发反直观行为时,梁的位移时程曲线、最终变形模式、能量关系及引发反直观行为对应的弹体速度范围等特性.并探讨了弹体偏离梁的中点冲击时,对梁的反直观行为的影响.研究表明:不论弹体冲击梁的中点或偏离梁的中点冲击时,梁都会发生反直观行为,并具有许多共同的动力响应特点.     

金属热黏塑性本构关系的研究进展

金属材料的塑性流动行为依赖于温度和应变率,温度和应变率敏感性是金属材料塑性流动的最重要的本质特性之一,建立合适的热黏塑性本构关系来准确描述金属塑性流动行为的温度和应变率依赖性,是金属材料能被广泛应用的必要前提。为此,对金属热黏塑性本构关系的最新研究进展进行了综述,介绍了常见的几种金属热黏塑性本构关系并进行了详细讨论,给出了各本构关系的优势与不足,最后系统介绍了包含金属塑性流动行为中出现的第三型应变时效、或K-W锁位错结构引起的流动应力随温度变化出现的反常应力峰以及拉压不对称等行为的金属热黏塑性本构关系的研究进展。     

微电子封装中导电胶连接可靠性研究

导电胶连接是近年来发展起来的新技术,其连接可靠性对于连接器件的长期稳定运行至关重要.本文基于导电胶互连失效模式的分析,介绍了各向异性导电胶膜的力学性能,综述了外力载荷、环境因素和组件性能对导电胶连接可靠性影响的研究进展,给出了导电胶粘接接触电阻、粘接强度和失效概率的理论分析,以及连接器件界面残余应力和疲劳寿命的研究.最后,针对导电胶连接可靠性研究中涉及的主要方面进行了展望.     

轨道车辆轮对的关键力学问题及研究进展

从服役失效模式、原因与后果入手,研究了轨道车辆轮对可靠性与安全性相关的关键力学问题与进展.首先总结了5种车轮踏面失效与4种非踏面失效、5种车轴失效和6种轴承失效模式.阐述了与失效模式相关的成因和后果.讨论了可能的解决方法.然后介绍了超长疲劳寿命可靠性分析、光滑表面疲劳短裂纹理论与结构安全评价方法和轮轨接触材料与形貌匹配3个关键力学问题与研究进展.进一步展望了轮轨接触多学科优化、考虑几何与载荷约束及环境影响的轴承接触疲劳理论和轮对集成可靠性与安全性分析评价方法是未来3个值得研究的关键力学问题.     

柴油机球墨铸铁飞轮应力与断裂损伤失效分析

球墨铸铁飞轮是柴油机中结构形状相对简单但起重要作用的零件之一.对于圆盘状球墨铸铁飞轮,其结构破坏行为往往与飞轮在高速旋转时所引起的包含径向,轴向及环向等复杂的三维应力状态有关.此外,还与其表面摩擦损伤有关.为了分析飞轮高速旋转时的复杂应力状态与其断裂损伤失效之间的关系,用有限元方法分析了球墨铸铁飞轮在高速旋转时径向应力...     

修正金属本构模型在超高速撞击模拟中的应用

为更加准确地计算93钨合金弹超高速撞击Q345钢板问题,构建了修正的金属本构模型。引入GRAY三相物态方程描述材料相态变化,采用Johnson-Cook强度模型描述撞击后期材料的力学行为。结合封加波损伤演化模型以及Johnson-Cook失效模型描述不同应力三轴度下材料的拉伸、剪切失效行为;引入曹祥提出的断裂演化模型,描述材料失效后应力归零的过程。通过对比超高速撞击数值模拟结果与实验结果,验证了本构模型的适用性,并进一步分析了典型弹靶撞击条件下破片群的空间分布特征。研究结果表明:基于修正金属本构模型获得的超高速撞击靶板穿孔直径、弹体侵蚀长度、破片群扩展速度结果与实验结果一致;GRAY三相物态方程能够相对准确地给出弹体撞击首层靶板以及剩余弹体、破片群撞击第2层靶板时弹靶材料的熔化情况;封加波损伤演化模型能够准确判断超高速撞击过程中靶板是否产生层裂破坏;综合封加波损伤演化模型、Johnson-Cook失效模型以及曹祥提出的断裂演化模型后,数值模拟获得的破片群撞击后效靶板的穿孔面积与累积数量的统计曲线结果与实验结果一致;获得了典型条件下的柱形93钨弹体超高速撞击Q345靶板破片群空间分布结果,破片群的前端具有较高的质量、轴向动量以及横向动量（绝对值）。     

铁磁形状记忆合金的力学行为研究进展

铁磁形状记忆合金是一种新型的多功能材料,它除了具有传统的温控和应力控制记忆合金的一般特点外, 还可以在磁场的作用下输出应变,极大地拓展了传统的形状记忆合金应用前景.材料力学行为的研究是材料得以广泛应用的前提.本文对铁磁形状记忆合金力学行为的研究文献进行了综述,着重介绍了铁磁形状记忆合金力学行为的研究现状, 系统阐述了晶体的成分、磁场强度、外应力以及温度等因素对力学行为的影响,并概述了铁磁形状记忆合金本构模型的研究进展.      

井下管柱力学与控制方法若干研究进展

关于井下管柱力学的研究迄今已有七十多年的历程, 取得了许多重要的研究成果, 并主要在油气井工程中获应用实效. 然而, 由于井眼约束和作业工况的复杂性, 目前仍未能够全面而准确地揭示井下管柱在狭长井眼内的复杂力学行为, 导致相关工程设计控制方法难以解决好实际遇到的许多复杂问题. 本文回顾了井下管柱力学的整体发展脉络, 重点讨论井下管柱的静力学变形控制方程, 然后针对井下管柱力学中的几个重要科学问题, 包括井下管柱屈曲、井下管柱摩阻磨损、井下管柱安全作业极限和底部钻具组合力学特性及其相应的设计控制方法等, 分别简要介绍了相关研究进展、最新研究成果及存在的一些问题等, 并在一定程度上进行了总结与展望, 以期为井下管柱力学与控制方法的创新发展并促进油气井工程技术进步提供有益参考.      

热喷涂涂层中残余应力分析和检测研究进展

综述热喷涂涂层中残余应力研究进展.主要内容有:对残余应力产生的最新认识,残余应力分布实验测试技术、理论分析模型及其对热喷涂材料界面结合强度影响等领域的研究进展.最后对该领域几个学术界和工程界关注的研究方向进行了展望.      

钻井泥浆泵柱塞V形圈密封失效仿真分析

柱塞密封作为钻井泥浆泵关键部件,在深井和高压工况下,柱塞密封经常出现密封失效问题,而导致钻井泥浆泵工作效率低,甚至出现安全事故。本文通过建立二维轴对称仿真分析模型,讨论了密封过盈量、轴向压紧力、密封圈个数对柱塞密封性能的影响。结果表明:影响密封能力的程度依次为:轴向压紧力最大,其次为密封过盈量,密封圈个数最小;柱塞V形密封圈的密封能力随压紧力的增加呈等倍增长的趋势;增加密封圈个数并不能增加密封能力,第一道密封圈起到密封关键作用,并且其肩部的Von Mises应力非常大,也是最先遭到破坏的;密封过盈量小于0.4mm时,密封能力不会发生变化;轴向压紧力达到15MPa后,密封圈的Von Mises应力急剧上升,继续增加轴向压紧力容易导致密封圈破坏,发生密封失效。     

A3钢钝头弹撞击45钢板破坏模式的试验研究

为了研究破片模拟弹的终点弹道效应,进行了不同质量A3钢钝头弹(弹径25 mm)撞击45钢板的试验研究,其中A3钢强度弱于45钢。在约200～800 m/s的撞击速度范围内,随着撞击速度的增加,分别观察到弹体出现泰勒撞击、向日葵型花瓣帽形失效及靶板冲塞穿甲三种破坏模式。伴随弹体和靶体经历的不同结构破坏模式,弹材和靶材也经历着相当复杂的材料失效。     

用初参数法解C型波纹管在子午面内整体弯曲

波纹管是一种呈波纹状的管形薄壁结构,作为弹性敏感元件、密封元件和位移补偿器,在现代工业、国防和民用设备中的应用日益广泛.波纹管的计算,特别是在非轴对称受力和变形方面亟待完善.本文讨论了C型波纹管在子午面内整体弯曲的应力分布和端面角位移.从柔性圆环壳在子午面内整体弯曲的复变量方程出发,化边值问题为初值问题,用S.Gill法,得到了该波纹管的数值解,适用于0＜α＜1的范围.通过3个例子,将本文的数值解和已有的细环壳一般解(解析解)作了比较.结果表明,两者基本一致,并且,当环壳较细(α较小)时,两种计算结果更为接近.