本文關(guān)鍵詞：管束橫向接觸與碰撞的計算方法研究

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【摘要】：在石油石化工程中,存在一類管束結(jié)構(gòu),如管殼式換熱器的換熱管系、海洋鉆井隔水管束等。這些管束結(jié)構(gòu)在流體激振力等外載荷作用下,常常發(fā)生接觸碰撞,危及到管束的安全運行。為此,國內(nèi)外學(xué)者針對管束結(jié)構(gòu)的接觸與碰撞問題開展了大量的力學(xué)分析和計算方法研究,主要有彈性力學(xué)的理論方法和有限元方法。彈性力學(xué)方法只能解決典型的接觸碰撞問題,當(dāng)不考慮接觸的局部變形時,可用材料力學(xué)理論對問題進行求解。而有限元法雖被廣泛應(yīng)用,但在處理管束結(jié)構(gòu)的接觸碰撞時,其收斂解的計算精度與計算效率一直是一個備受關(guān)注的理論問題。本文首先開展了兩根平行管接觸的實驗研究,得到目標(biāo)管不變形、被動變形和主動變形管管正接觸狀態(tài),以及目標(biāo)管合并綁定和被動變形的斜接觸狀態(tài)。采用有限元分析,對實驗研究的36組兩根管接觸狀態(tài)進行了有限元分析,其計算結(jié)果與實驗基本吻合,有30組的接觸力相對誤差在15%以內(nèi),證明了有限元模型建立和算法選擇的正確性。討論了單元離散對計算管管接觸狀態(tài)的影響,得出了有限元法描述接觸力和接觸位置的計算精度正比于離散單元精細程度,且離散精細程度會影響計算效率。為此,本文針對管管接觸問題開展了計算方法研究,對于正接觸和只有侵入的斜接觸問題采用全量法加載,假設(shè)侵入或穿透的最大位置處為可能接觸位置;對出現(xiàn)穿透的斜接觸問題,通過接觸力和外載荷的雙重迭代收斂到正確的接觸位置與接觸力。對管管間存在點接觸問題,全量法得到的接觸力與解析解相對誤差小于1%,與有限元分析結(jié)果相對誤差基本小于1%;對管管間存在的線接觸問題,全量法得到的接觸位置內(nèi)接觸力合力與有限元分析結(jié)果相對誤差基本小于1%。管束結(jié)構(gòu)接觸問題采用全局掃描法判斷管管接觸對個數(shù),建立所有可能接觸管對的接觸力線性方程組,通過接觸對耦合的補充方程求解接觸力。分別進行了三根管、五根管和七根管的算例計算,得到的接觸位置內(nèi)接觸力合力與有限元分析結(jié)果相對誤差基本小于1%,且接觸區(qū)域基本相同,但計算時間較有限元分析大幅降低,表明本文研究方法在描述管束接觸時具有良好的計算精度和效率。針對管管及管束碰撞問題,在接觸問題的研究基礎(chǔ)上,通過動撓曲線法計算主動交變載荷產(chǎn)生的位移、速度和加速度。依據(jù)動量定理和變形協(xié)調(diào),建立碰撞力計算方法及收斂條件。經(jīng)算例計算表明,在同一碰撞時刻,得到的碰撞位置內(nèi)碰撞力合力與有限元分析結(jié)果相對誤差基本小于1%,且碰撞位置基本相同,但計算時間較有限元分析大幅降低。本文計算方法可以滿足小變形管束結(jié)構(gòu)接觸碰撞問題的求解,在確保管束間接觸碰撞狀態(tài)準(zhǔn)確的描述下,使計算效率大幅度提升,特別是接觸碰撞迭代收斂時間得到顯著降低,為此類管束結(jié)構(gòu)的接觸碰撞求解提供了一種行之有效的計算方法。
【關(guān)鍵詞】：管束 接觸 碰撞 迭代算法 收斂條件 全量法
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB122
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 創(chuàng)新點摘要7-10
• 第一章 多體接觸碰撞問題的研究現(xiàn)狀10-16
• 1.1 研究目的和意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-15
• 1.2.1 多體系統(tǒng)碰撞接觸問題的研究現(xiàn)狀11-13
• 1.2.2 管束振動的接觸碰撞問題的研究進展13-15
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容15-16
• 第二章 兩根平行管橫向接觸實驗研究16-26
• 2.1 使用主要儀器設(shè)備說明16-17
• 2.2 實驗方案17
• 2.3 管管接觸實驗數(shù)據(jù)17-25
• 2.3.1 有機玻璃管彈性模量的測定17-19
• 2.3.2 目標(biāo)管不變形的管管正接觸實驗19-20
• 2.3.3 目標(biāo)管被動變形的管管正接觸實驗20-21
• 2.3.4 目標(biāo)管主動變形的管管正接觸實驗21-23
• 2.3.5 管管斜接觸實驗23-25
• 2.4 小結(jié)25-26
• 第三章 管束橫向接觸碰撞有限元分析26-38
• 3.1 管管接觸有限元分析方法26-28
• 3.1.1 拉格朗日乘子法26
• 3.1.2 罰函數(shù)法26-27
• 3.1.3 增廣拉格朗日乘子法27
• 3.1.4 接觸狀態(tài)判定條件27-28
• 3.1.5 接觸對的建立28
• 3.2 管管碰撞有限元分析方法28-30
• 3.2.1 碰撞問題的遞推迭代計算步驟28-29
• 3.2.2 時間步長的選取準(zhǔn)則29-30
• 3.3 管管接觸有限元分析算例30-33
• 3.3.1 管管正接觸算例的力學(xué)模型30
• 3.3.2 單元離散對計算結(jié)果的影響30-31
• 3.3.3 有限元分析與實驗結(jié)果對比31-33
• 3.4 管管碰撞有限元分析算例33-37
• 3.4.1 管管正碰撞有限元算例33-36
• 3.4.2 管管斜碰撞有限元算例36-37
• 3.5 小結(jié)37-38
• 第四章 管束橫向接觸的計算方法研究38-62
• 4.1 幾種典型問題的解析解38-40
• 4.1.1 兩根平行管橫向正接觸問題解析解38-39
• 4.1.2 兩根平行管橫向斜接觸問題解析解39-40
• 4.2 基于全量法的管管接觸算法40-53
• 4.2.1 問題描述40-41
• 4.2.2 接觸判斷與定解條件41-47
• 4.2.3 迭代格式與求解方法47-50
• 4.2.4 算例50-53
• 4.3 基于全量法的管束結(jié)構(gòu)接觸算法53-61
• 4.3.1 問題描述53-54
• 4.3.2 接觸判斷與定解條件54-55
• 4.3.3 迭代格式與求解方法55-57
• 4.3.4 算例57-61
• 4.4 小結(jié)61-62
• 第五章 管束橫向碰撞的計算方法研究62-89
• 5.1 基于動撓曲線的管管碰撞算法62-72
• 5.1.1 問題描述62-63
• 5.1.2 碰撞判斷與定解條件63-67
• 5.1.3 迭代格式與求解算法67-69
• 5.1.4 算例69-72
• 5.2 基于動撓曲線的管束結(jié)構(gòu)碰撞算法72-88
• 5.2.1 問題描述72
• 5.2.2 碰撞判斷與定解條件72-73
• 5.2.3 迭代格式與求解算法73-74
• 5.2.4 算例74-88
• 5.3 小結(jié)88-89
• 結(jié)論89-90
• 參考文獻90-94
• 發(fā)表文章及參加科研項目94-95
• 致謝95-96

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 Liu Xiuquan;Chen Guoming;Chang Yuanjiang;Zhang Lei;Zhang Weiguo;Xie Hua;;Multistring analysis of wellhead movement and uncemented casing strength in offshore oil and gas wells[J];Petroleum Science;2014年01期

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 高雷雷;直井桿管磨損壽命預(yù)測模型與軟件開發(fā)[D];燕山大學(xué);2014年

2 王巖;三元復(fù)合驅(qū)卡抽油泵關(guān)鍵技術(shù)研究[D];東北石油大學(xué);2014年

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本文編號：597035