基于CAD／CAE集成方法的封隔器的設(shè)計(jì).pdf

第 2 2卷第 2期 2 0 0 9年 6 月 聊城大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 J o u r n a l o f Li a o e h e n g Un i v e r s i t y Na t Sc i Vo 1 2 2 NO 2 J u n 2 0 0 9 基于 C AD C AE集成方法的封隔器的設(shè)計(jì) 趙海暉D 中國(guó)石油大學(xué) 華東 機(jī)電工程學(xué)院 山東 東 營(yíng) 2 5 7 0 6 1 摘要封隔器是油田實(shí)現(xiàn)精 細(xì)開(kāi)發(fā) 的重要工具 本文通過(guò) Y3 4 1 1 4 8型封 隔器虛擬模型的構(gòu) 建和仿真分析 構(gòu)建 了封隔器仿真分析平 臺(tái) 探 索了實(shí)現(xiàn)封 隔器可視化分析 虛擬樣機(jī)分析和力 學(xué)性能仿真分析的方法 對(duì) Y3 4 1 1 4 8型封隔器和類似封隔器的設(shè)計(jì)與分析有借鑒意義 關(guān)鍵 詞封 隔器 虛擬樣機(jī) 仿 真 建模 中圖分類號(hào)T E 9 3 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1 6 7 2 6 6 3 4 2 0 0 9 0 2 0 1 0 0 0 4 伴隨石油開(kāi)采技術(shù)的不斷發(fā)展 封隔器的下人深度不斷增加 工作環(huán)境 已經(jīng)深人到高溫 高壓和復(fù)雜 的深部地層 因而對(duì)封隔器綜合性能提出了更高的要求 因此 采用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)構(gòu)建封隔器虛擬樣機(jī)并 實(shí)現(xiàn)其工作行為的仿真及力學(xué)特性分析 不僅可 以驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的合理性 而且 為設(shè)計(jì)提供 了可供借鑒 的失 效 破壞分析數(shù)據(jù) 減少了實(shí)物試驗(yàn)的數(shù)量 節(jié)約了實(shí)支成本 因而成為井下作業(yè)工具 的新 的研究方向 本文以 Y3 4 1 1 4 8型封隔器為研究對(duì)象 建立了封 隔器的虛擬樣機(jī) 進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析 實(shí)現(xiàn) C AD C AE有機(jī)集成 為新型封隔器的設(shè)計(jì)研發(fā)打下了基礎(chǔ) 1 國(guó) 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外封隔器研究正朝著高性能 多用途 適應(yīng)多種工況 壽命長(zhǎng) 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 大通徑 密封材料具有更好 彈性與回收性的方向發(fā)展 例如研發(fā)成功可取式下放短節(jié) 可以代替永久式封隔器下在密封腔容座的底 部 使密封腔容座完井具有更大的靈活性和更好的控制性 完成了油氣井完井工藝 的重大改革 利用先進(jìn) 的化學(xué)和機(jī)械切割技術(shù)發(fā)展 了可移動(dòng)式封隔器 以代替可取式封隔器和永久式封隔器 國(guó)內(nèi)研究的重點(diǎn)主要集 中在封隔器系統(tǒng)受力分析 新產(chǎn)品開(kāi)發(fā) 結(jié)構(gòu)改進(jìn) 密封膠筒元件的井下工作 性能分析 膠筒及封隔器室內(nèi)試驗(yàn)研究等幾個(gè)方面 取得了一定的成績(jī) 例如江漢油田采油工藝研究所 勝 利油田采油工藝研究院在封隔器的新產(chǎn)品設(shè)計(jì) 制造及其應(yīng)用方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn) 在國(guó)內(nèi)占據(jù)著非常 重要的地位 但是 相關(guān)研究成果主要集 中在對(duì)具體產(chǎn)品的具體性能改造上 沒(méi)有充分與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相 結(jié)合 從而在虛擬樣機(jī)研究方面相對(duì)落后 缺乏對(duì)封隔器的系統(tǒng)建模和綜合分析 2 存在 的主要問(wèn)題 當(dāng)前 在研發(fā)封隔器的過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題 1 物理樣機(jī)仍然是試驗(yàn)的主要依據(jù) 需要進(jìn)行反 復(fù)試驗(yàn)尤其是破壞性實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果反應(yīng)滯后 且研制成本較高 2 未能按 照現(xiàn)代設(shè)計(jì) 方法 的要求 將 C AD C AE有機(jī)集成 設(shè)計(jì)手段相對(duì)落后 設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng) 3 傳統(tǒng)的靜力學(xué)計(jì)算方法仍然是主要 的分析 手段 導(dǎo)致了設(shè)計(jì)結(jié)果精度低 與封隔器井下工作時(shí)的實(shí)際受力情況相去甚遠(yuǎn) 仍 以單個(gè)零部件為研究對(duì) 象 參考國(guó)外結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿制為主 因此 運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段構(gòu)建封隔器虛擬樣機(jī)從而形成可視化研究平臺(tái) 收稿 日期 2 0 0 8 1 1 1 2 通訊作者 趙海輝 E ma i l h a i h u i 2 0 0 6 0 1 y a h o o c o rn c 12 第 2期 趙海 輝等 基 于 C A D C AE集成方法 的封 隔器的設(shè)計(jì) 1 O 1 是 目前 國(guó) 內(nèi)封 隔 器研 究工 作 者 的主要 課題 3 Y3 4 1 1 4 8封 隔器 的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介 3 1 結(jié) 構(gòu) Y3 4 1 1 4 8型 3 5封 隔 器主 要結(jié) 構(gòu)包 括 密封 坐 封 以及 解 封 由上 接 頭 壓 帽 膠 筒 缸 套 活塞 外 套 內(nèi)中心管 下接頭 O 型密封圈等組成 其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 1 上接頭 2 銷釘 3 上外套 4 鎖黃座 5 鎖扣 指 6 鎖指套 7 鎖 環(huán) 8 卡爪套 9 內(nèi)中心管 1 0 外 中心管 l 1 上膠筒座 1 2 膠筒 1 3 隔環(huán) 1 4 下膠筒 座 1 5 上活塞套 1 6 上活塞 1 7 下 中心管 1 8 下 活塞套 1 9 下 活塞 2 0 下接頭 2 1 勞釘 2 2 剪釘座 2 3 防撞 環(huán) 圖 1 Y3 4 1 1 4 8型 封隔器結(jié)構(gòu)圖 3 2 工 作原 理 坐封與解封是工作過(guò)程的兩個(gè)重要環(huán)節(jié) 坐封 從 油管 內(nèi)加 液壓 液 壓 經(jīng)下 接 頭 的小 孔 作 用 于 活塞 上 活塞推動(dòng)鎖套剪斷銷釘使密封環(huán)上移壓縮膠筒 使膠筒直 徑 變 大封 隔油套 環(huán) 形 空 間 放 掉油 管 壓 力 后 因鎖 套 和 卡 瓦 上 的倒 馬牙 扣鎖 在一 起 因此 膠筒 不 能 彈 回 L 4 解 封 上提 油管 上 接 頭帶 動(dòng) 內(nèi)中心 管 下 接 頭上 行 而外 中 心管 鎖套和卡瓦 卡瓦座相對(duì)不動(dòng) 解封套上行且內(nèi)錐面使卡 瓦內(nèi)收 膠筒和鎖套下行 膠筒彈回 實(shí)現(xiàn)解封 4 Y3 4 1 1 4 8型封隔器的參數(shù)化三維模型建立 P r o E是基 于 特征 建模 的 C AD C AM C AE參 數(shù)化 集 成 系統(tǒng) 具 有 完 全關(guān)聯(lián)性 尺寸驅(qū)動(dòng)性等顯著優(yōu)點(diǎn) 基于 P r o E的虛擬樣機(jī)技術(shù)并以 此為平 臺(tái)完成設(shè)計(jì) 制造以及仿真的研究 可滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的要 求 實(shí)現(xiàn)封隔器的敏捷設(shè)計(jì) 與制造 提高設(shè)計(jì)質(zhì)量 和縮 短設(shè)計(jì)周期 為此 我們選擇該軟件作為參數(shù)化建模軟件 封隔器的零 件多以回轉(zhuǎn) 體為主 形狀規(guī)則 在參數(shù)化造型過(guò)程中以拉伸 旋轉(zhuǎn)特征構(gòu)型 建立 了如 圖 3所示 的各 零件 三 維 參 數(shù)化 模 型 最 后將 模 型 裝 配 以得 到該 封 隔器 的三維 實(shí) 體模 型 5 Y3 4 1 1 4 8型封隔器 的運(yùn)動(dòng)仿真 與有 限元分析 完成 Y3 4 1 1 4 8型封隔器的三維實(shí)體模型后 使用該模型 就可 以對(duì)該封隔器進(jìn)行零部件的運(yùn)動(dòng)仿真分析和有 限元強(qiáng)度分析 實(shí)現(xiàn) C AD C AE的集成 在這 樣 的虛 擬 環(huán)境 中 分 析 封 隔 器 的設(shè) 計(jì) 合 理性 可以顯著提高設(shè)計(jì)效率 降低設(shè)計(jì)成本 其分析過(guò)程如圖 4所示 圖 3 封隔器三維模型 的裝配 5 1 實(shí)際工況運(yùn)動(dòng)仿真模擬 在 P r o E 的裝 配 環(huán)境 下 實(shí) 現(xiàn)封 隔 器 的 裝 配 然后 將 模 型 導(dǎo)人 內(nèi)圖 4 c A D c A E有機(jī)集成工作流程圖 嵌模塊 P r o Me c h a n i c s 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真 對(duì)各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量 同時(shí) 進(jìn)行坐封與解封的動(dòng)作模擬 以排 除機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞干涉的可能性 必要時(shí)重新建立模型 再次進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析 直至實(shí)現(xiàn)合理的結(jié)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)分析工作流程如下 1 創(chuàng)建模型 定義主體 生成連接 定義連接軸設(shè)置 2 檢查模型 拖動(dòng)組 1 0 2 聊 城 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 自 然 科 學(xué) 版 第 2 2卷 件 檢驗(yàn)所定義的連接是否能產(chǎn)生預(yù)期的運(yùn)動(dòng) 3 加入運(yùn)動(dòng)分析圖元 設(shè)定伺服電機(jī) 4 準(zhǔn)備分析 定 義初始位置 創(chuàng)建測(cè)量 5 分析模型 定義運(yùn)動(dòng)分析 運(yùn)行 6 結(jié)果分析 結(jié)果回放 干涉檢查 查看測(cè)量 結(jié)果 創(chuàng)建軌跡曲線 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)包絡(luò) 圖 5 P r o Me c h a n i c s 運(yùn)動(dòng)仿真流程圖 坐封過(guò)程和解封過(guò)程的模擬如圖 6和圖 7所示 從模擬圖可以看出 該封隔器動(dòng)作設(shè)計(jì)合理 可滿足 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)要求 圖 6坐封過(guò)程運(yùn) 動(dòng)仿真 圖 7解 封 過(guò) 程 運(yùn) 動(dòng) 仿 真 5 2 有 限元 分析 1 創(chuàng)建 ANS Y S幾何模型 封隔器零件造型雖較為簡(jiǎn)單 但受力復(fù)雜 多體接觸 承受 內(nèi)外壓力和軸 向載荷 需要進(jìn)行精確的力學(xué)性能分析 為了實(shí)現(xiàn) c AD C AE的有機(jī)集成 在 P r o E中建模并完成運(yùn)動(dòng)仿 真的分析模型 通過(guò) 內(nèi)置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接 口將幾何模型導(dǎo)人 ANS Y S中 在 ANS YS中構(gòu)建有限元分析模型 如典型零件內(nèi)筒的三維模型 導(dǎo)人模型以及網(wǎng)格模型如圖 8 9 1 O所示 圖 8 內(nèi)筒 的三維模型 圖 9 內(nèi)筒 的有 限元分析模 型 圖 1 O 內(nèi)筒 網(wǎng)格模型 圖 l 1 內(nèi)筒 Vo n Mi s e s 等值線圖 第 2期 趙 海輝等 基于 C AD CA E集 成方法的封隔器 的設(shè) 計(jì) 1 O 3 2 封隔器受力分析 封隔器在實(shí)際工況下 其坐封過(guò)程中受力最大 其中內(nèi)筒受力最大 最容易造成 破壞 按照所受的實(shí)際載荷 對(duì)內(nèi)筒進(jìn)行有限元分析 并求 出應(yīng)力 應(yīng)變分布規(guī)律 將整體性能的評(píng)價(jià)過(guò)程 可視化 并加 以量化 以實(shí)現(xiàn)破壞及疲勞的理論分析 Vo n Mi s e s 等值線圖如圖 l 1 所示 計(jì)算結(jié)果 兩端主應(yīng)力 o 3 7 5 5 MP a 7 4 2 7 MP a 中間部分主應(yīng)力 d 1 1 0 5 MP a 1 4 7 9 MP a 上端開(kāi)孔處有最大主應(yīng)力 盯 一2 9 4 6 MP a 因此 孔 口處有應(yīng)力集 中 建議 基于 P r o E n g i n e e r 構(gòu)建三維模型時(shí) 設(shè)置適 當(dāng)?shù)妮S肩處過(guò)渡圓角半徑 在此設(shè)置為 R一5 mm 尺寸驅(qū)動(dòng)模型重新生成之后 再用 ANS YS進(jìn)行有限元分析 反復(fù)試驗(yàn)以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化 最終 綜合考慮下 井深度 溫度等諸多元素進(jìn)行尺寸優(yōu)化 圓角半徑普遍設(shè)為 4 7 mm 有效降低了應(yīng)力集 中 在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 中 實(shí)現(xiàn)了較好的使用效果 6 結(jié)論 經(jīng)上述分析 可得到如下結(jié)論 1 用虛擬樣機(jī) 的方法 對(duì)封隔器進(jìn)行仿真分析 可有效的解決封隔器 設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題 縮短新型封隔器的研發(fā)周期 節(jié)約研發(fā)成本 2 本文的研究 實(shí)現(xiàn) 了封隔器研發(fā) 中 C AD C A E的有機(jī)集成 構(gòu)建了可視化研究平臺(tái) 為開(kāi)發(fā)新型封隔器奠定了基礎(chǔ) 參 考 文 獻(xiàn) 1 3 湛精華 封隔器系統(tǒng)工作行為仿真研究 D 南充 西南石油大學(xué) 2 0 0 5 2 江漢 石油管理局采油工 藝研究 所 封隔器理論 基礎(chǔ)與應(yīng)用 M 北京 石油工業(yè) 出版社 1 9 8 3 3 陳莉 可洗井 自驗(yàn)封 Y3 4 1 1 1 5型封隔器 的研制與應(yīng)用 J 石油礦場(chǎng)機(jī)械 2 0 0 3 3 2 3 4 0 4 2 4 申興哲 DB F 1 5 2型 電潛泵封隔器 的研 制與應(yīng) 用 J 石油機(jī)械 2 0 0 3 3 1 2 2 2 2 4 5 Ma r v i n L Ha r r i s I n n o v a t i v e t h r o u g h t u b i n g c e me n t p a c k e r t e c h n i q u e J S P E 7 7 8 0 4 Oc t o b e r 2 0 0 2 5 5 5 8 6 An d e r s e n J N F u l l S c a l e Hi g h P r e s s u r e s t p p e r P a c k e r T e s t i n g wi t h We l l h e a d P r e s s u r e t o 1 5 0 0 0 p s i M S P E 6 0 6 9 9 Ap r i l 2 0 0 0 7 Ma r v i n L Ha r r i s I n n o v a t i v e Th r o u g h Tu b i n g C e me n t P a c k e r T e c h n i q u e M S P E 7 7 8 0 4 Oc t o b e r 2 0 0 2 上 接第 7 9頁(yè) S y nt hs i s a nd Cr y s t a l S t r u c t u r e o f Na ph l i o n Cr o wn Et h e r C o m p l e x K N1 5 C 5 2 2 C d S C N 4 C H 2 c l 2 F ENG Z e j i n g HAN Ba o z h u LI Ch e n g j u a n L I Da c h e n g Sc h o o l o f Che mi s t r y a n d Ch e mi c a l En g i ne e r i n g Li a o c he n g Unive r s i t y Li a o c he n g 2 5 2 0 5 9 Ch i n a No 6 Mi d d l e S c ho o l o f Z i b o Zi b o 2 5 5 3 0 0 Ch i na A b s t r a c t Th e r e a c t i o n s o f C d C I 2 2 5 H2 O KS C N wi t h N1 5 C 5 wa s s t u d i e d a n d t h e t i t l e c o mp l e x K N1 5 C 5 2 2 C d NC S 4 we s o b t a i n e d Th e t i t l e c o mp l e x K N1 5 C S 2 2 C d NC S 4 we s c h a r a c t e r i z e d b y t h e me l t i n g p o i n t d e t e r mi n a t i o n I R a n d t h e t h e X r a y d i f f r a c t i o n a n a l y s i s Th e t i t l e c o mp l e x b e l o n g s t O t r i c l i n i c s y s t e m t h e s p a c e g r o u p P 一 1 Un i t c e l l d i me n s i o n a一 1 5 5 2 1 2 A 6 1 5 6 1 7 3 A c 2 0 5 8 2 3 A a 一7 3 5 2 8 3 一8 0 3 5 5 3 y 一 6 1 2 9 5 2 一 1 7 6 8 4 3 A Z 2 Dc a l c d 1 4 1 1 Mg m F 0 0 0 1 8 4 8 R1 0 0 5 7 9 wR2 0