纳米SiO2酚醛树脂复合材料裂纹扩展行为分析及力学性能研究.pdf
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1、油气井出砂是疏松砂岩油气藏开采面临的主要矛盾 树脂固结人工井壁防治细粉砂效果优良可实现复杂井况下的无筛管防砂是目前油田应用最广泛的化学防砂方法决定其防砂成败的关键是树脂的固结性能 借助扩展有限元()对裂纹经过单个粒子、一对粒子、均匀分布的多个粒子进行数值模拟研究纳米粒子对裂纹扩展路径和损伤耗散能量的影响发现纳米 对裂纹影响区间为 个纳米粒子直径纳米 的最佳质量分数为树脂基体的 树脂样条的抗冲击强度和树脂防砂体的抗压强度的测定结果表明纳米 质量分数为 时树脂样条抗冲击强度提高 左右树脂防砂体抗压强度提高 左右显著改善了酚醛树脂的力学性能关键词:人工井壁防砂纳米 酚醛树脂裂纹扩展扩展有限元中图分类
2、号:.文献标识码:文章编号:()/(.().):.().:酚醛树脂是人工井壁防砂常用的固结剂但固化后存在脆性大、韧性差的问题难以满足现场防砂的要求在树脂中加入纳米 可以改善其力学性能 目前对树脂固结剂性能的评价大多还应用化工第 卷停留在宏观层面即砂粒从防砂体中脱落引起人工井壁失稳尚未从微观层面进行深入研究 在微观层面树脂的主要失效形式是微裂纹扩展形成宏观裂缝裂纹扩展主要有直行、分叉和偏转三种方式本文采用有限元方法研究了不同情形下纳米粒子对裂纹扩展的影响研究了改性前后树脂样条抗冲击强度的变化和纳米 对树脂防砂体抗压强度的影响 纳米 对裂纹扩展的影响.有限元模型的建立采用 扩展有限元方法对纳米 改
3、性酚醛树脂的裂纹扩展行为进行分析设置酚醛树脂密度为./弹性模量.泊松比.纳米粒子的密度为./弹性模量 泊松比.裂纹经过单个粒子考虑裂纹经过单个粒子 为.的扩展情况(图)为粒子中心到裂纹距离 设置模型长 .高.初始裂纹长度为.纳米粒子直径 .上下两端受均匀拉伸载荷.裂纹经过一对粒子.纳米粒子角度考虑裂纹经过一对粒子 为 的扩展情况(图、图)为纳米粒子中心连线与水平方向的夹角 设置模型长 .高 .初始裂纹长度.纳米粒子直径 .上下两端受均匀拉伸载荷.纳米粒子间距考虑裂纹经过一对粒子 为 的扩展情况(图)为两纳 米 粒 子 间 距 设 置 模 型 长 .高.初始裂纹长度为.纳米粒子直径 .上下两端受
4、均匀拉伸载荷 图 纳米粒子对裂纹扩展的影响.单个纳米粒子.两个纳米粒子角度 间距固定.两个纳米粒子角度 间距固定.角度 间距不同.裂纹经过均匀分布 考虑实际情况中纳米粒子均匀分布纳米 质量分数分别为.的扩展情况模型见图 设置模型长.宽.初始裂纹长度为.纳米粒子直径 .上下两端受均匀拉伸载荷图 纳米 质量分数对裂纹扩展的影响.第 期齐宁等:纳米/酚醛树脂复合材料裂纹扩展行为分析及力学性能研究.结果与讨论.单个粒子对裂纹扩展的影响 图 为裂纹扩展的位移曲线原点为粒子中心横坐标 为裂纹尖端横坐标 为裂纹尖端纵坐标 裂纹经过粒子时会偏离原来方向等绕过粒子后逐渐恢复到初始裂纹方向 粒子距裂纹越近对裂纹扩
5、展影响越显著裂纹扩展的过程中伴随着能量的消耗损伤耗散能量越大说明裂纹扩展越难 无量纲损伤耗散能量是指当前模型损伤耗散能量与裂纹在纯树脂中扩展损伤耗散能量之比 由图 可知裂纹在靠近纳米粒子时无量纲损伤耗散能量降低这是由于粒子会对裂纹的扩展产生一个“斥力”使裂纹远离粒子降低了对外部能量的消耗粒子距离裂纹越近无量纲损伤耗散能量降低的幅度越大经过粒子后无量纲损伤耗散能量逐渐升高并趋于平稳粒子距离裂纹越近无量纲损伤耗散能量升高的幅度越大这是因为裂纹的扩展路径更长了导致耗散的能量更多图 单个粒子对裂纹扩展的影响.扩展路径与单个粒子间的相互作用.无量纲损伤耗散能量曲线.粒子角度对裂纹扩展的影响 由图 可知当
6、 时裂纹在经过第一个粒子后扩展至第二个粒子时停止扩展当 时裂纹在经过第一个粒子后又绕过第二个粒子继续扩展 图 中粒子的左右两端应力较低上下两端的应力较高当树脂材料受到上下拉伸外力时由于树脂的泊松比高于粒子的泊松比粒子的上下两端受拉应力左右两端受压应力粒子的脱落先从上下两端开始所以此处受力最大(见图)图 裂纹扩展路径和 应力云图.图 树脂基体中纳米粒子形变示意图.图 为裂纹长度时间关系曲线图 为无量纲损耗能量曲线 由图 可知这两条裂纹虽然粒子角度不同但几乎在同一时间起裂 的模型裂纹共有 次无量纲损耗能量降低的情况第一次降低幅度较大是第一个粒子对裂纹的影响使其绕过粒子第二次降低幅度较小是第二个粒子
7、对裂纹的影响但由于裂纹此时已经扩展至粒子边缘想要绕过第二个粒子需要偏转的幅度极大而粒子对裂纹的影响不足以支撑这么大幅度的偏转故而裂纹停止扩展 的模型裂纹共有 次无量纲损耗能量降低的情况这意味着裂纹前进过程中应用化工第 卷多次尝试绕过粒子图 不同角度粒子对裂缝扩展的影响.裂纹真实长度时间关系曲线.无量纲损伤耗散能量曲线.粒子间距对裂纹扩展的影响图 为不同间距下裂纹扩展的无量纲损伤耗散能量曲线图 纳米粒子间距对裂纹扩展的影响.由图 可知当粒子间距为 个粒子直径大小时无量纲损伤耗散能量曲线几乎为一条直线所以两粒子对裂纹扩展的影响间距界限为 个粒子直径与图、图 不同的是该模型的无量纲损伤耗散能量在扩展
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