论文题目: 封隔器系统工作行为仿真研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械设计及理论
作者: 湛精华
导师: 刘清友
关键词: 封隔器,胶筒,非线性,有限元,计算机仿真,试验
文献来源: 西南石油大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文从系统的角度出发，综合应用弹塑性力学、接触有限元理论、数值分析方法、计算机仿真技术等多学科知识，在国内率先建立了考虑胶筒非线性、大变形特征的封隔器系统工作行为仿真模型，并通过实验建立了封隔器胶筒材料在井底实际工况下的本构关系模型。为了将所建立的仿真模型更好地应用到封隔器的设计上，本文运用混合编程思想开发了具有自主知识产权的封隔器系统工作行为仿真软件，并在自行设计的封隔器试验台架上完成了Y341-148型封隔器台架试验，验证了所建立数学模型和所开发仿真软件的正确性，为封隔器及井下工具的设计、改进和新产品开发提供了一种新的理论方法和技术手段，进一步提高了我国封隔器的设计理论和研究水平。论文的研究工作及创新点主要体现在以下几个方面： (1) 建立了Y341-148型封隔器零部件的三维实体模型，进行了结构装配和运动干涉检验，运用有限元分析软件对其关键零部件进行了有限元分析和结构优化，根据分析结果对现有封隔器的结构提出了改进意见，增强了现有Y341-148型封隔器的可靠性，提高了其工作性能； (2) 胶筒是封隔器的关键部件，由于目前国内尚缺乏封隔器胶筒在井底实际工况下的材料力学性能参数，本文采用中国燃气涡轮研究院的SB802热-机综合疲劳试验机开展了封隔器胶筒目前所用4种橡胶材料在模拟实际工作环境下的力学性能试验研究，测定了这4种橡胶材料在不同载荷、不同温度下的应力-应变数据，建立了与井下实际工况相对应的胶筒材料本构关系，为建立封隔器胶筒接触有限元模型、封隔器系统工作行为仿真模型提供了数据基础，为仿真软件的运行提供了可靠的参数； (3) 根据封隔器胶筒在工作过程中的非线性、大变形特征，将胶筒柔性体与胶筒座、套管壁等刚性体运动过程中的接触区域处理为持续变化的非线性边界条件，建立了封隔器胶筒的非线性接触有限元模型。模型中采用变节点的四边形等参单元，依据结构特征、应力集中程度确定了网格大小密度和分布方式，预设了结构尺寸参数以便于结构尺寸变化后网格自动离散。该模型的建立为开展封隔器系统在井底真实工况下的工作行为仿真研究奠定了基础： (4) 综合运用弹塑性力学及有限元分析的理论和方法，根据封隔器的工作状态和其零部件在工作过程中的运动、受力、变形特征及其相互作用关系，将封隔器简化为轴对称形式，率先在国内建立了考虑胶筒大变形特征的封隔器系统工作行为仿真模型，该模型可以模拟封隔器在坐封、密封、解封三种工况下的运动过程和力学行为，真实的反应封隔器在工作过程中包括胶简在内各零部件的运动、受力和变形情况，为封隔器的设计和新产品的开发提供了新的理论依据； (5) 针对仿真模型中胶筒柔性体的非线性、大变形特征和金属零件的线性、小变
论文目录:
摘要
ABSTRACT
1 绪论
1.1 引言
1.2 封隔器基本结构及工作原理
1.2.1 封隔器基本结构及功能
1.2.2 封隔器的分类
1.2.3 封隔器工作原理
1.3 论文的研究目的及意义
1.4 论文的主要研究内容及创新点
2 封隔器国内外研究与发展现状
2.1 封隔器在石油开采中的应用
2.2 国内外封隔器技术研究现状
2.2.1 封隔器工作性能参数的计算
2.2.2 密封元件井下工作性能试验研究
2.2.3 封隔器系统力学分析与数值计算
2.2.4 现有封隔器的不足之处
2.2.5 封隔器新技术及其应用
2.3 封隔器相关专利分析
2.4 小结
3 Y341-148型封隔器主要零部件的力学分析
3.1 机械设计自动化软件PRO／E简介
3.2 有限元分析概述
3.3 Y341-148型井下封隔器零部件有限元分析
3.3.1 Y341-148型封隔器零部件三维实体模型的建立
3.3.2 Y341-148型封隔器在井下工作条件下的受力分析
3.3.3 内中心管有限元分析
3.3.4 上外套
3.3.5 上活塞
3.3.6 Y341-148型封隔器零件结构优化
4 封隔器胶筒材料力学性能试验研究
4.1 试验目的及内容
4.2 试验方法及步骤
4.2.1 试验标准及准备
4.2.2 试验设备及原理
4.3 数据记录及处理
4.4 实验结果分析
4.5 小结
5 封隔器系统工作行为仿真模型的建立
5.1 接触问题及有限元法基本原理
5.1.1 非线性接触问题分析原理
5.1.2 有限元法基本原理
5.2 封隔器研究要点及模型简化
5.2.1 计算模型
5.2.2 启动瞬间
5.2.3 密封胶筒
5.2.4 外中心管
5.2.5 密封摩擦
5.2.6 解封过程
5.3 封隔器系统工作行为仿真模型的建立
5.3.1 封隔器各材料的本构关系
5.3.2 各零部件之间摩擦接触问题的求解方案
5.3.3 有限元基本方程
5.3.4 有限元方程的求解
5.4 模型求解特征及单元离散
5.4.1 有限元模型计算机求解特征
5.4.2 结构系统的有限单元离散
5.5 封隔器有限元模型计算所需参数确定
5.6 小结
6 封隔器系统工作行为仿真软件的研制
6.1 软件的总体设计方案
6.2 软件功能模块的划分
6.2.1 参数输入模块
6.2.2 有限元计算求解模块
6.2.3 计算分析结果输出模块
6.2.4 数据存储和管理模块
6.2.5 在线帮助模块
6.3 软件开发平台及运行环境
6.4 封隔器系统接触有限元分析软件简介
6.5 小结
7 Y341-148型封隔器系统工作行为仿真分析
7.1 Y341-148型封隔器工作过程简述
7.2 Y341-148型封隔器系统工作行为仿真结果分析
7.2.1 坐封过程启动载荷
7.2.2 光滑接触时坐封、密封、解封全过程的有限元分析结果
7.2.3 摩擦接触下坐封、密封、解封全过程仿真分析结果
7.2.4 不同工作油压对坐封、密封、解封过程的影响
7.2.5 不同工作油压下胶筒的坐封压应力
7.3 小结
8 Y341-148型封隔器工作性能台架试验研究
8.1 试验台架的设计与建造
8.2 试验目的及内容
8.3 试验的方法和步骤
8.4 台架试验结果分析
8.5 小结
9 结论及建议
9.1 结论
9.2 下一步研究方向
致谢
参考文献
攻读博士学位期间的论文、专利及获奖情况
附录1 封隔器各零件的三维实体模型
附录2 封隔器胶筒材料力学性能试验原始数据
附录3 封隔器系统工作行为仿真分析结果
附录4 Y341-148型封隔器台架试验原始数据
附录5 仿真软件测试报告
发布时间: 2006-12-05
参考文献
- [1].封隔器胶筒有限变形力学行为分析[D]. 吕凤霞.东北石油大学2014
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