爆轰冲击载荷作用下射孔段管柱动力响应分析

摘要

cqvip:聚能射孔爆轰过程产生的巨大冲击波作用于管柱,冲击载荷和狭长、复杂井筒边界下的管柱动力响应与安全性研究未见文献报道。基于有限元建模和理论方法分析射孔管柱动力响应以期为管柱强度安全分析提供依据。应用振动力学悬臂梁理论,考虑管柱自重及轴向冲击载荷作用,建立管柱动力学模型,导出管柱纵向振动微分方程,应用分离变量法求解,得到管柱振动固有频率、主振型及位移动力响应表达式。应用Workbench模块,基于有限元瞬态动力学方法,以27/8"×5.51 mm P110油管为对象,建立射孔段管柱三维有限元模型,作用井下实测冲击载荷,分析管柱的动力响应规律。结果表明:管柱固有频率有限元解和解析解平均相对差4.18%,有限元法满足精度要求。位移、速度、加速度随时间以15 ms周期变化,9 ms时,管柱压缩最大值为19.15 mm,95 ms时,管柱伸长最大值为9.1 mm;自由端速度达到最大值5.45 m/s;加速度达到最大值2.85 km/s^2。管柱应力波传播速度约4 930 m/s,与理论结果5 123 m/s相近。采用该研究的有限元建模和理论方法分析射孔管柱动力响应满足精度要求;据此得到的射孔管柱速度、加速度和应力变化规律可指导实际生产;并可为复杂边界条件的细长杆振动研究提供参考。