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行业新闻

封隔器系统工作行为仿真研究

2019-08-05    来源:    作者:佚名  浏览次数:3593

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。

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,为建立封隔器胶简接触有限元模型、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筒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、小变形混合问题,开展了封隔器工作行为仿真模型的求解数学方法研究,采用增量载荷法实现了对仿真模型的求解。

在网格离散的基础上,建立了增量形式的线性及非线性有限元方程;对于线性方程组,采用直接求解方式波前法求解每一迭代步内增量形式的有限元方程,对于非线性有限元方程,采用增量迭代法修正的LagrangeU.L.法进行求解,将N-R法用于每一增量步切线刚度法;对于接触区也采用增量形式迭代求解,在瞬时构形中讨论了接触边界的变化;仿真模型求解的实现使得本文理论研究工作具有更大的实际应用价值;

6利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。

软件采用VisualFortran6.5和VisualBasic6.0开发,两种语言优势互补,既具有Fortran语言的运算效率高、速度快的优点,又达到了界面美观、操作简便的要求。

该仿真软件的开发使本文所建立的数学模型能应用到封隔器的生产实际中,为设计人员进一步改进封隔器的结构、提高其工作性能和开发新型封隔器提供了一种新的设计和分析手段;

7自行设计并建造了封隔器工作性能试验台架,并完成了封隔器台架试验研究,由此实现了对封隔器系统工作行为仿真模型及软件的验证。

测试数据主要包括胶筒接触应力大小、分布规律、轴向位移及外套、上活塞、下活塞应力、应变大小及分布规律,试验结果与仿真结果的对比表明仿真软件计算结果都符合工程使用要求,这进一步说明本文所建立的封隔器系统工作行为仿真模型、求解方法以及仿真软件正确,并具有较大的实际应用价值,试验台架的建立也为我国封隔器新产品的开发提供了一个试验平台。

综上所述,本文的研究工作为进一步提高现有封隔器及井下工具的综合性能、改进其结构和研制新型井下封隔器提供了新的理论和方法,也为石油钻采工具的研究提供了一条新的思路.

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