實習(xí)報告之工程力學(xué)

東北石油大學(xué)實習(xí)總結(jié)報告實習(xí)類型工程力學(xué)認識實習(xí)實習(xí)單位東北石油大學(xué)油田科技館實習(xí)起止時間2014年6月30日至2014年7月4日指導(dǎo)教師所在院（系）班級學(xué)生姓名學(xué)號2014年7月4日工程力學(xué)認識實習(xí)報告一實習(xí)目的讓我們從實踐中對這門自己所學(xué)習(xí)的專業(yè)獲得一個感性認識，為今后的專業(yè)課的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)，為今后書本與實踐的結(jié)合打下基礎(chǔ)。在五天的認識實習(xí)中，將所學(xué)知識和實習(xí)內(nèi)容互相驗證，并對一些實際問題加以分析和討論，使我們對力學(xué)的基礎(chǔ)知識有一個良好的感性認識，了解專業(yè)概況，為后續(xù)專業(yè)理論知識的學(xué)習(xí)奠定一個良好的根基，同時，使我們對本行業(yè)有個初步的了解，培養(yǎng)我們對專業(yè)的熱愛，鞏固專業(yè)思想。通過認識實習(xí)讓我們認識了工程力學(xué)在機械、土木工程、航天工程以及新材料研制中的應(yīng)用情況。二實習(xí)項目1實習(xí)安全教育2觀看力學(xué)應(yīng)用視頻3參觀大慶科技館、鐵人紀念館和歷史陳列館三實習(xí)內(nèi)容1校內(nèi)實習(xí)1.1力學(xué)在機械工程中的應(yīng)用（1）彈性力學(xué)在機械設(shè)計中的應(yīng)用彈性力學(xué)主要研究彈性體在外力作用或溫度變化等因素下所產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，從而解決結(jié)構(gòu)或機械設(shè)計中所提出的強度和剛度問題。機械運動當(dāng)中，許多機械運轉(zhuǎn)速率較高、承載很大，機械的彈性變形對系統(tǒng)的影響不容忽視，必須將機械系統(tǒng)按彈性系統(tǒng)進行設(shè)計和分析，由此可見，彈性力學(xué)在機械設(shè)計中應(yīng)用廣泛。一般情況下，彈性力學(xué)在凸輪及機構(gòu)設(shè)計、齒輪機構(gòu)設(shè)計、軸設(shè)計中應(yīng)用較為廣泛。（2）斷裂力學(xué)在機械工程中的應(yīng)用用斷裂力學(xué)方法進行機械產(chǎn)品的失效分析。失效分析是指事故或故障發(fā)生后所進行的檢測和分析，目的在于找到失效的部位、失效原因和機理，從而掌握產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)改進的方向及修復(fù)的方法，以推進技術(shù)的不斷進步。斷裂力學(xué)在機械產(chǎn)品失效分析中具有重要作用。機械產(chǎn)品失效模式有:斷裂、疲勞、腐蝕、磨損等，它們都可以借助斷裂力學(xué)方法及斷裂分析技術(shù)予以解決，斷裂力學(xué)方法是失效分析的有力工具。圖1-路基受力簡圖（3）工程力學(xué)在機械修理中的應(yīng)用處理機械工程出現(xiàn)的大量破壞問題，絕大多數(shù)是根據(jù)力學(xué)方面的知識作出判斷和分析的。例如，1940年美同的TacomaNarrow。吊橋在中速風(fēng)載下，因卡門漩渦引起橋身扭轉(zhuǎn)振動和上下振動而坍塌。1972年日本海南電廠的一臺66萬千瓦汽輪發(fā)電機組，在試車中因發(fā)生異常振動而全機毀壞，長達51米的主軸斷裂飛散，聯(lián)軸節(jié)及汽輪機葉片竟穿透廠房飛落至百米以外。（4）機械動力學(xué)機械動力學(xué)是機械原理的主要組成部分，它主要研究機械在運轉(zhuǎn)過程中的受力情況，機械中各構(gòu)件的質(zhì)量與機械運動之間的相互關(guān)系等等，是現(xiàn)代機械設(shè)計的理論基礎(chǔ)。研究機械運轉(zhuǎn)過程中能量的平衡和分配關(guān)系。為了簡化問題，常把機械系統(tǒng)看作具有理想、穩(wěn)定約束的剛體系統(tǒng)處理。對于單自由度的機械系統(tǒng)，用等效力和等效質(zhì)量的概念，可以把剛體系統(tǒng)的動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為單個剛體的動力學(xué)問題；對多自由度機械系統(tǒng)動力學(xué)問題一般用拉格朗日方程求解。機械系統(tǒng)動力學(xué)方程常常是多參量非線性微分方程，只在特殊條件下可直接求解，一般情況下需要用數(shù)值方法迭代求解。許多機械動力學(xué)問題可借助電子計算機分析。機械運動過程中，各構(gòu)件之間相互作用力的大小和變化規(guī)律是設(shè)計運動副的結(jié)構(gòu)、分析支承和構(gòu)件的承載能力，以及選擇合理潤滑方法的依據(jù)。在求出機械真實運動規(guī)律后可算出各構(gòu)件的慣性力，再依據(jù)達朗貝爾原理，用靜力學(xué)方法求出構(gòu)件間的相互作用力。1.2力學(xué)在航空航天工程中的應(yīng)用傳統(tǒng)的飛行空氣動力學(xué)，作為龐大的自然科學(xué)體系中的一個分支，它的誕生和發(fā)展孕育了、催生了、促進了航空航天飛行器的發(fā)展。事實上，這個上世紀我國航空航天發(fā)展大大促進了空氣動力學(xué)的研究工作。最簡單的辦法就是把空氣動力學(xué)的定義定義清楚。空氣動力學(xué)，首先它屬于力學(xué)的范圍，它是流體力學(xué)的一個分支。傳統(tǒng)的飛行器氣動布局設(shè)計主要依賴理論研究估算、設(shè)計師的經(jīng)驗以及大量的風(fēng)洞試驗結(jié)果，風(fēng)洞試驗是主要設(shè)計工具。計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展推動了航空空氣動力學(xué)的革命。目前正在大力發(fā)展的計算流體力學(xué)將以突破對黏流流場物理現(xiàn)象的模擬能力為重點，尤其是精確預(yù)測流動分離點和轉(zhuǎn)捩過程以及湍流流動。空氣動力學(xué)研究的重大突破往往導(dǎo)致新概念飛行器的誕生，空氣動力學(xué)是飛行器研制創(chuàng)新的源泉之一。在過去的五十年里，航天飛行器的研制還是取得了驕人的成績，為提高我國綜合國力，提高國防現(xiàn)代化建設(shè)做出了巨大的貢獻，無論是在運載火箭、載人航天以及戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的研制中，空氣動力學(xué)都發(fā)揮了重要的作用。但它的作用又往往是無形的或是隱形的，你在任何一個航天飛行器上看不到空氣動力學(xué)的“硬產(chǎn)品”。這個對我們的影響還是比較大的。美國在空氣動圖2-飛機受力簡圖力學(xué)研究與發(fā)展領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位，在探索新概念飛行器、航空新技術(shù)、新研究和試驗方法上也具有明顯優(yōu)勢。1.3力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用土木工程主導(dǎo)專業(yè)課程的建構(gòu)是基于幾大力學(xué)課來實現(xiàn)的。若缺乏對幾大力學(xué)的基本概念、物理意義和求解方法的深入理解，想真正掌握好相關(guān)專業(yè)課程。做好有關(guān)工程設(shè)計、施工、監(jiān)理乃至進一步的科研工作，是不可想象的。按照所開設(shè)力學(xué)課程的兩類劃分(結(jié)構(gòu)力學(xué)類和彈性力學(xué)類)，相應(yīng)的專業(yè)課兩類分支也相應(yīng)出現(xiàn)。力學(xué)的學(xué)習(xí)目的是為了進行工程計算。土木工程是一個涵蓋極廣的一級學(xué)科，它下設(shè)了巖土工程，結(jié)構(gòu)工程，市政工程，供熱、供燃氣、通風(fēng)及空調(diào)工程，防災(zāi)減災(zāi)工程及防護工程，橋梁與隧道工程等六個二級學(xué)科，所計算分析的對象包括諸如：工業(yè)建筑、民用建筑、公共建筑、道路、橋梁、隧道等眾多工程類型。力學(xué)在工程中應(yīng)用首先就要提取出相應(yīng)的工程計算模型。屬于桿系結(jié)構(gòu)的工程對象當(dāng)然要用結(jié)構(gòu)力學(xué)的手段進行分析；而涉及實體結(jié)構(gòu)的工程對象分析則必須要用彈性力學(xué)、土力學(xué)和巖石力學(xué)的手段來完成；對難以求解的復(fù)雜工程問題則必須尋求相應(yīng)數(shù)值解答，數(shù)值計算方法也是近幾十年來在解決工程問題時力學(xué)發(fā)展最快的研究方向組合結(jié)構(gòu)建筑施工技術(shù)；基于彈性力學(xué)類(巖土工程方向)的包括：地基處理與加固、基礎(chǔ)工程、擋土結(jié)構(gòu)與基坑工程、地下結(jié)構(gòu)、道路勘測與結(jié)構(gòu)等力學(xué)的學(xué)習(xí)目的是為了進行工程計算。結(jié)構(gòu)力學(xué)類中的失穩(wěn)標志是指結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形特征的根本變化(第一類穩(wěn)定問題)或其變形出現(xiàn)無限增長的特征(第二類穩(wěn)定問題)。穩(wěn)定問題求解以能量法最為方便可靠，復(fù)雜問題也可采用有限元法。由于建筑結(jié)構(gòu)多為長桿件體系，在壓、彎等狀態(tài)下容易產(chǎn)生種種失穩(wěn)現(xiàn)象。而彈性力學(xué)類學(xué)科的研究對象是塊體，不存在結(jié)構(gòu)力學(xué)類中的失穩(wěn)問題，“失穩(wěn)”在彈性力學(xué)(包括土力學(xué)、巖石力學(xué)中已經(jīng)轉(zhuǎn)化為“強度”問題，所謂的彈性體失穩(wěn)或巖土工程喪失穩(wěn)定性實質(zhì)上就是強度破壞。可見，“穩(wěn)定”的概念在各門力間尚有待統(tǒng)一。1.4化學(xué)工業(yè)中的流體力學(xué)引發(fā)流體運動的方式、工藝過程的操作條件流體運動的發(fā)生分類壓力流、泊謖流：用流體機械，風(fēng)機或泵，對流體施加一定壓力，使流體在壓力差的作用下運動。拖拽、庫特流：通過邊界運動或流體中物體的運動以推動流體運動。自然對流：由于溫度、濃度等不同引起的流體運動。壓力流和自然對流對腔體建造影響較大，同時可以考慮采用拖動方式增加流體能量。流體運動的狀態(tài):管道內(nèi)各個質(zhì)點流動狀態(tài)確定，軌跡明顯，較易研究其質(zhì)點運動特性。湍流（紊流）：管道內(nèi)的質(zhì)點處于脈動狀態(tài)，其徑向脈動合速度為零。化工設(shè)備中的力學(xué)原理板式塔板式塔是一類用于氣液或液液系統(tǒng)的分級接觸傳質(zhì)設(shè)備，由圓筒形塔體和按一定間距水平裝置在塔內(nèi)的若干塔板組成。廣泛應(yīng)用于精餾和吸收，有些類型（如篩板塔）也用于萃取，還可作為反應(yīng)器用于氣液相反應(yīng)過程。操作時（以氣液系統(tǒng)為例），液體在重力作用下，自上而下依次流過各層塔板，至塔底排出；氣體在壓力差推動下，自下而上依次穿過各層塔板，至塔頂排出。每塊塔板上保持著一定深度的液層，氣體通過塔板分散到液層中去，進行相際接觸傳質(zhì)。萃取塔萃取石油煉制、化學(xué)工環(huán)境保護等部門廣泛應(yīng)用的一種液-液傳質(zhì)設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單、便于安裝和制造等特點。在液-液傳質(zhì)系統(tǒng)中，兩相間的重度差較小，界面張力差也不大，導(dǎo)致推動相互傳質(zhì)的慣性力較小，已分層的兩相分層分離能力也不高。為了提高液相傳質(zhì)設(shè)備的效率，常常補給外加能量，如攪拌、脈沖、振動等。流化床當(dāng)流體通過床層的速度逐漸提高到某值時，顆粒出現(xiàn)松動，顆粒間空隙增大，床層體積出現(xiàn)膨脹。如果再進一步提高流體速度，床層將不能維持固定狀態(tài)。此時，顆粒全部懸浮于流體中，顯示出相當(dāng)不規(guī)則的運動。隨著流速的提高，顆粒的運動愈加劇烈，床層的膨脹也隨之增大，但是顆粒仍逗留在床層內(nèi)而不被流體帶出。床層的這種狀態(tài)和液體相似稱為流化床。其中，流化床的種類有：最小流化床，鼓泡流化床，騰涌流化床。特性——充分流態(tài)化的床層表現(xiàn)出類似于液體的性質(zhì)。密度比床層平均密度小的流體可以懸浮在床面上；床面保持水平；床層服從流體靜力學(xué)關(guān)系，即高度差為L的兩截面的壓差△p=ρgL；顆粒具有與液體類似的流動性，可以從器壁的小孔噴出；兩個聯(lián)通的流化床能自行調(diào)整床層上表面使之在同一水平面上。上述性質(zhì)使得流化床內(nèi)顆粒物料的加工可以像流體一樣連續(xù)進出料，并且由于顆粒充分混合，床層溫度、濃度均勻使床層具有獨特的優(yōu)點得以廣泛的應(yīng)用。1.5采油機械抽油機抽油機是開采石油的一種機器設(shè)備，俗稱“磕頭機”，通過加壓的辦法使石油出井。當(dāng)抽油機上沖程時，油管彈性收縮向上運動，帶動機械解堵采油器向上運動，撞擊滑套產(chǎn)生振動；同時，正向單流閥關(guān)閉，變徑活塞總成封堵油當(dāng)抽油機下沖程時，油管彈性伸長向下運動，帶動機械解堵采油器向下運動，撞擊滑套產(chǎn)生振動；同時，反向單流閥部分關(guān)閉，變徑活塞總成仍然封堵油套環(huán)形油道，使反向單流閥下方區(qū)域形成高壓區(qū)，這一運動又對地層內(nèi)的油流通道產(chǎn)生一種反向的沖擊力。原理——常見抽油機即游梁式抽油機是油田廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)抽油設(shè)備，通常由普通交流異步電動機直接拖動。其曲柄帶以配重平衡塊帶動抽油桿，驅(qū)動井下抽油泵做固定周期的上下往復(fù)運動，把井下的油送到地面。在一個沖次內(nèi)，隨著抽油桿的上升/下降，而使電機工作在電動/發(fā)電狀態(tài)。上升過程電機從電網(wǎng)吸收能量電動運行；下降過程電機的負載性質(zhì)為位勢負載，加之井下負壓等使電動機處于發(fā)電狀態(tài)，把機械能量轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)。然而，井下油層的情況特別復(fù)雜，有富油井、貧油井之分，有稀油井、稠油井之別。恒速應(yīng)用問題顯而易見。如拋卻這些不談，就抽油機油泵本身而言，磨損后的活塞與襯套的間隙漏失等都是很難解決的問題，況且變化的地層因素如油中含砂、蠟、水、氣等復(fù)雜情況也對每沖次抽出的油量有很大的影響。看來，只有調(diào)速驅(qū)動才能達到最佳控制。引進調(diào)速傳動后，可根據(jù)井下狀態(tài)調(diào)節(jié)抽油機沖程頻次及分別調(diào)節(jié)上、下行程的速度，在提高泵的充滿系數(shù)的同時減少泵的漏失，以獲得最大出油量。尤其是采用變頻調(diào)速既無啟動沖擊，又可解決選型保守、線路較長等所致的功率因數(shù)偏低等問題，獲得節(jié)能增效的同時又能提高整機壽命。尤其是油泵的壽命，減少機械故障提高可靠性。圖3-抽油機抽油機的節(jié)電技術(shù)抽油機節(jié)電技術(shù)主要有兩大類:一是開發(fā)不同類型的抽油機節(jié)能電機，如超高轉(zhuǎn)差率電動機、三相永磁同步電機、高啟動轉(zhuǎn)矩雙定子結(jié)構(gòu)電機和電磁調(diào)速電機等。但由于資金投入太大，在許多油田用節(jié)能電機取代普通異步電機尚無法全面推廣。二是使用節(jié)能配電箱，采用改變定子繞組的接法可以改變電機電壓，但電機只能得到固定電壓，節(jié)電效果并不理想。抽油機的節(jié)電技術(shù)采用變頻調(diào)速控制，則可以改變抽油機長期處于低效做功的狀態(tài)，使其工作方式與油井實際負荷相匹配，保證每次都抽油，減少低效甚至無效抽取，從而降低電費開支，減少維護成本，提高運行效率。效果如下：1變頻器具有軟起動功能起動時電流較小，對電網(wǎng)沖擊小，起動時能耗大為降低。避免了啟動時的相當(dāng)于3～7倍的額定電流，避免了不必要的電能損耗。耗同時減少了對電動機，變速箱，抽油機等大機械的沖擊，延長了相關(guān)設(shè)備的使用壽命。在工作中電機的功率因數(shù)可從0.2～0.5提高到0.9，減輕電網(wǎng)和變壓器的負擔(dān)，降低線損，大量減少了無功損耗。2引進變頻器控制可實現(xiàn)設(shè)備上，下行程自動識別從而控制石油抽油機上、下行程的電機運行頻率分別可調(diào)，以改變抽油機上、下行程的運行速度。解決了因更換皮帶輪調(diào)速造成的停產(chǎn)，從而提高了生產(chǎn)效率。同時達到滿足泵效的情況下耗用最少的電能。3由于抽油機下行時負載性質(zhì)為位勢負載，變頻器加裝能耗制動功能后恰能適應(yīng)其工況。對于改變抽油機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)最佳工作狀態(tài)帶來很大方便。降低漏失，提高泵效。1.6鉆井機械鉆井設(shè)備由提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、鉆機底座及輔助設(shè)備等八大系統(tǒng)組成。鉆機的提升系統(tǒng)為了起下鉆具、下套管以及控制鉆壓、送鉆等，鉆機裝有一套起升設(shè)備，主要由絞車、輔助剎車、游動系統(tǒng)、井架等組成。鉆井機由空心軸（空心鉆桿）、泥漿泵（排料泵）、動力頭（減速箱）和泥漿泵出料管組成，空心軸的上端與動力頭相連接，泥漿泵設(shè)置在空心軸內(nèi)的下側(cè)，泥漿泵出料管的下端與泥漿泵的出口相連接。它由減速箱驅(qū)動空心軸低速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)變的空心軸內(nèi)泥漿泵是潛入水下（地平面以下）作業(yè)，減少了操作程序、降低了鉆井機的故障率、提高了作業(yè)速度、增加了鉆井機的鉆孔深度。隨著油井鉆井工業(yè)的發(fā)展，鉆井也愈往深部鉆井。泥漿除了仍舊擔(dān)任移除巖屑的重要任務(wù)外，必須再具備其它多種功能，才能完成深井及困難井的鉆井作業(yè)。泥漿不但可以清除井孔、冷卻鉆頭、循環(huán)帶出鉆碎的巖屑、提高鉆進率，更可在井孔內(nèi)壁形成泥壁，以暫時保護井孔，使他不易崩塌。而若在泥漿中加入重晶石粉，更可以提高泥漿的比重，以抵抗地層的壓力防止塌陷，阻止地層流體侵入井孔。如遇漏泥層，也可以在泥漿中添加堵漏材料，以穩(wěn)定井孔；而泥漿的黏性更可懸浮鉆屑，使井孔不致埋沒，所以泥漿的功能很多。泥漿對鉆井的重要性，有如血液之于人體，會直接影響鉆井工程的成敗，因此如何在泥漿各項性質(zhì)中取得平衡點，并選擇適當(dāng)?shù)哪酀{，正是工程隊現(xiàn)場隊長及泥漿人員最大的考驗。海上鉆井平臺自升平臺由平臺、樁腿和升降機構(gòu)組成，平臺能沿樁腿升降，一般無自航能力。1953年美國建成第一座自升式平臺，這種平臺對水深適應(yīng)性強，工作穩(wěn)定性良好，發(fā)展較快，約占移動式鉆井裝置總數(shù)的1/2。工作時樁腿下放插入海底，平臺被抬起到離開海面的安全工作高度，并對樁腿進行預(yù)壓，以保證平臺遇到風(fēng)暴時樁腿不致下陷。完井后平臺降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個平臺浮于海面，由拖輪拖到新的井位。半潛平臺上部為工作甲板，下部為兩個下船體，用支撐立柱連接。工作時下船體潛入水中，甲板處于水上安全高度，水線面積小，波浪影響小，穩(wěn)定性好、自持力強、工作水深大，新發(fā)展的動力定位技術(shù)用于半潛式平臺后，工作水深可達900～1200米。半潛式與自升式鉆井平臺相比，優(yōu)點是工作水深大，移動靈活；缺點是投資大，維持費用高，需有一套復(fù)雜的水下器具，有效使用率低于自升式鉆井平臺。鉆井平臺樁腿的高度總是有限的，為解決在深海區(qū)的鉆井問題，又出現(xiàn)了漂浮在海面上的鉆井船。鉆井船是浮船式鉆井平臺，它通常是在機動船或駁船上布置鉆井設(shè)備。平臺是靠錨泊或動力定位系統(tǒng)定位。按其推進能力，分為自航式、非自航式；按船型分，有端部鉆井、舷側(cè)鉆井、船中鉆井和雙體船鉆井；按定位分，有一般錨泊式、中央轉(zhuǎn)盤錨泊式和動力定位式。浮船式鉆井裝置船身浮于海面，易受波浪影口向，但是它可以用現(xiàn)有的船只進行改裝，因而能以最快的速度投入使用。鉆井船的排水量從幾千噸到幾萬噸不等，它既有普通船舶的船型和自航能力，又可漂浮在海面上進行石油鉆井。由于鉆井船經(jīng)常處于漂浮狀態(tài)，當(dāng)遇到海上的風(fēng)、浪、潮時，必然會發(fā)生傾斜、搖擺、平移和升降現(xiàn)象，因此鉆井船的穩(wěn)定性是一個非常關(guān)鍵的問題。目前，海上鉆井船的定位常用的是拋錨法，但該方法一般只適用于200m以內(nèi)的水深，水再深時需用一種新的自動化定位方法。圖4-應(yīng)力和距離關(guān)系示意圖1.7力學(xué)在新材料研發(fā)展中的應(yīng)用陶瓷最致命缺點是脆性，低可靠性和低重復(fù)性，這些不足嚴重影響陶瓷材料的應(yīng)用范圍。只有改善陶瓷的斷裂韌性，提高其可靠性和使用壽命，才能是陶瓷真正成為一種廣泛應(yīng)用的新型材料，因此陶瓷增韌技術(shù)一直是陶瓷研究的熱點。陶瓷的斷裂主要是由于裂紋擴展導(dǎo)致的，阻止間斷裂紋的擴展的方法有三種。其一為分散裂紋尖端應(yīng)力；其二為消耗裂紋擴展的能量，增大裂紋擴展所需克服的能壘；最后問轉(zhuǎn)換裂紋擴展的能量。向韌變化

受相變誘發(fā)塑性鋼，即TRIP(transformationinducedplasticity)鋼的啟發(fā)，將ZrO2t