管束横向接触与碰撞的计算方法研究

发布时间：2017-07-31 02:15

  本文关键词：管束横向接触与碰撞的计算方法研究

  更多相关文章： 管束 接触 碰撞 迭代算法 收敛条件 全量法

【摘要】：在石油石化工程中,存在一类管束结构,如管壳式换热器的换热管系、海洋钻井隔水管束等。这些管束结构在流体激振力等外载荷作用下,常常发生接触碰撞,危及到管束的安全运行。为此,国内外学者针对管束结构的接触与碰撞问题开展了大量的力学分析和计算方法研究,主要有弹性力学的理论方法和有限元方法。弹性力学方法只能解决典型的接触碰撞问题,当不考虑接触的局部变形时,可用材料力学理论对问题进行求解。而有限元法虽被广泛应用,但在处理管束结构的接触碰撞时,其收敛解的计算精度与计算效率一直是一个备受关注的理论问题。本文首先开展了两根平行管接触的实验研究,得到目标管不变形、被动变形和主动变形管管正接触状态,以及目标管合并绑定和被动变形的斜接触状态。采用有限元分析,对实验研究的36组两根管接触状态进行了有限元分析,其计算结果与实验基本吻合,有30组的接触力相对误差在15%以内,证明了有限元模型建立和算法选择的正确性。讨论了单元离散对计算管管接触状态的影响,得出了有限元法描述接触力和接触位置的计算精度正比于离散单元精细程度,且离散精细程度会影响计算效率。为此,本文针对管管接触问题开展了计算方法研究,对于正接触和只有侵入的斜接触问题采用全量法加载,假设侵入或穿透的最大位置处为可能接触位置;对出现穿透的斜接触问题,通过接触力和外载荷的双重迭代收敛到正确的接触位置与接触力。对管管间存在点接触问题,全量法得到的接触力与解析解相对误差小于1%,与有限元分析结果相对误差基本小于1%;对管管间存在的线接触问题,全量法得到的接触位置内接触力合力与有限元分析结果相对误差基本小于1%。管束结构接触问题采用全局扫描法判断管管接触对个数,建立所有可能接触管对的接触力线性方程组,通过接触对耦合的补充方程求解接触力。分别进行了三根管、五根管和七根管的算例计算,得到的接触位置内接触力合力与有限元分析结果相对误差基本小于1%,且接触区域基本相同,但计算时间较有限元分析大幅降低,表明本文研究方法在描述管束接触时具有良好的计算精度和效率。针对管管及管束碰撞问题,在接触问题的研究基础上,通过动挠曲线法计算主动交变载荷产生的位移、速度和加速度。依据动量定理和变形协调,建立碰撞力计算方法及收敛条件。经算例计算表明,在同一碰撞时刻,得到的碰撞位置内碰撞力合力与有限元分析结果相对误差基本小于1%,且碰撞位置基本相同,但计算时间较有限元分析大幅降低。本文计算方法可以满足小变形管束结构接触碰撞问题的求解,在确保管束间接触碰撞状态准确的描述下,使计算效率大幅度提升,特别是接触碰撞迭代收敛时间得到显著降低,为此类管束结构的接触碰撞求解提供了一种行之有效的计算方法。
【关键词】：管束 接触 碰撞 迭代算法 收敛条件 全量法
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB122
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-7
• 创新点摘要7-10
• 第一章 多体接触碰撞问题的研究现状10-16
• 1.1 研究目的和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 多体系统碰撞接触问题的研究现状11-13
• 1.2.2 管束振动的接触碰撞问题的研究进展13-15
• 1.3 本文主要研究内容15-16
• 第二章 两根平行管横向接触实验研究16-26
• 2.1 使用主要仪器设备说明16-17
• 2.2 实验方案17
• 2.3 管管接触实验数据17-25
• 2.3.1 有机玻璃管弹性模量的测定17-19
• 2.3.2 目标管不变形的管管正接触实验19-20
• 2.3.3 目标管被动变形的管管正接触实验20-21
• 2.3.4 目标管主动变形的管管正接触实验21-23
• 2.3.5 管管斜接触实验23-25
• 2.4 小结25-26
• 第三章 管束横向接触碰撞有限元分析26-38
• 3.1 管管接触有限元分析方法26-28
• 3.1.1 拉格朗日乘子法26
• 3.1.2 罚函数法26-27
• 3.1.3 增广拉格朗日乘子法27
• 3.1.4 接触状态判定条件27-28
• 3.1.5 接触对的建立28
• 3.2 管管碰撞有限元分析方法28-30
• 3.2.1 碰撞问题的递推迭代计算步骤28-29
• 3.2.2 时间步长的选取准则29-30
• 3.3 管管接触有限元分析算例30-33
• 3.3.1 管管正接触算例的力学模型30
• 3.3.2 单元离散对计算结果的影响30-31
• 3.3.3 有限元分析与实验结果对比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 小结37-38
• 第四章 管束横向接触的计算方法研究38-62
• 4.1 几种典型问题的解析解38-40
• 4.1.1 两根平行管横向正接触问题解析解38-39
• 4.1.2 两根平行管横向斜接触问题解析解39-40
• 4.2 基于全量法的管管接触算法40-53
• 4.2.1 问题描述40-41
• 4.2.2 接触判断与定解条件41-47
• 4.2.3 迭代格式与求解方法47-50
• 4.2.4 算例50-53
• 4.3 基于全量法的管束结构接触算法53-61
• 4.3.1 问题描述53-54
• 4.3.2 接触判断与定解条件54-55
• 4.3.3 迭代格式与求解方法55-57
• 4.3.4 算例57-61
• 4.4 小结61-62
• 第五章 管束横向碰撞的计算方法研究62-89
• 5.1 基于动挠曲线的管管碰撞算法62-72
• 5.1.1 问题描述62-63
• 5.1.2 碰撞判断与定解条件63-67
• 5.1.3 迭代格式与求解算法67-69
• 5.1.4 算例69-72
• 5.2 基于动挠曲线的管束结构碰撞算法72-88
• 5.2.1 问题描述72
• 5.2.2 碰撞判断与定解条件72-73
• 5.2.3 迭代格式与求解算法73-74
• 5.2.4 算例74-88
• 5.3 小结88-89
• 结论89-90
• 参考文献90-94
• 发表文章及参加科研项目94-95
• 致谢95-96

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前1条

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

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 高雷雷;直井杆管磨损寿命预测模型与软件开发[D];燕山大学;2014年

2 王岩;三元复合驱卡抽油泵关键技术研究[D];东北石油大学;2014年

，

本文编号：597035