《封隔器有限元仿真分析規(guī)程 第1部分 密封機(jī)構(gòu)》 征求意見(jiàn)稿

1T/CICXXXXX—XXXX封隔器有限元仿真分析規(guī)程第1部分：密封機(jī)構(gòu)本文件規(guī)定了壓縮式封隔器密封機(jī)構(gòu)坐封過(guò)程有限元仿真分析類型選擇及計(jì)算流程、有限元建模規(guī)則、有限元模型檢查、模型分析與調(diào)試、結(jié)果評(píng)價(jià)、結(jié)果輸出和報(bào)告編寫等要求。本文件適用于封隔器研發(fā)設(shè)計(jì)、加工生產(chǎn)、測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用階段的有限元仿真分析，類似產(chǎn)品可參考。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB3100-1993國(guó)際單位制及其應(yīng)用GB/T3101有關(guān)量、單位和符號(hào)的一般原則GB/T26099.1機(jī)械產(chǎn)品三維建模通用規(guī)則HG/T2701-2016壓縮式封隔器膠筒3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1壓縮式封隔器compressionpacker靠軸向力壓縮封隔件，使封隔件擴(kuò)徑來(lái)實(shí)現(xiàn)密封的封隔器。3.2坐封力packersettingforce壓縮式封隔器坐封時(shí)所需的軸向壓縮力。3.3壓縮距compressiondistance封隔器坐封時(shí)其軸向被壓縮的距離。3.4工作壓差operatingpressuredifferential封隔器坐封后，膠筒兩端所承受的壓力之差。2T/CICXXXXX—XXXX3.5軸對(duì)稱模型asymmetricmodel幾何形狀、約束條件及作用的載荷都對(duì)稱于某一固定軸的模型。3.6超彈性材料hyperelasticmaterial一種理想彈性材料的本構(gòu)模型，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系通過(guò)應(yīng)變能密度函數(shù)表述。3.7場(chǎng)變量fieldvariable描述隨空間位置變化的物理量。3.8歷史變量historicalvariable描述隨時(shí)間變化的物理量。4計(jì)算類型選擇及計(jì)算流程4.1算法選擇封隔器啟動(dòng)坐封至坐封完成，膠筒與套管接觸過(guò)程的有限元仿真分析宜采用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，載荷分析步中應(yīng)考慮幾何非線性。4.2材料參數(shù)獲取封隔器膠筒的橡膠材料參數(shù)宜通過(guò)開(kāi)展橡膠材料力學(xué)性能試驗(yàn)獲取，并按照5.5.3進(jìn)行超彈性材料本構(gòu)模型擬合。支撐環(huán)的金屬材料參數(shù)宜通過(guò)開(kāi)展單軸拉伸試驗(yàn)獲取材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并按照5.5.4進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。4.3有限元仿真分析流程封隔器坐封過(guò)程有限元仿真分析，首先需要根據(jù)封隔器設(shè)計(jì)與優(yōu)化目標(biāo)、計(jì)算周期和計(jì)算資源等制定有限元分析方案，主要流程包括橡膠超彈性本構(gòu)模型擬合、有限元建模、提交計(jì)算、結(jié)果輸出、結(jié)果評(píng)估及報(bào)告編寫等六部分。5有限元建模規(guī)則5.1坐標(biāo)系坐標(biāo)系由右手定則來(lái)確定，二維軸對(duì)稱模型宜選用笛卡爾直角坐標(biāo)系。若采用三維實(shí)體模型，可以采用圓柱坐標(biāo)系（r，θ,z），對(duì)于軸對(duì)稱模型，通常以z軸為對(duì)稱軸，所有應(yīng)力、應(yīng)變和位移都與θ方向無(wú)關(guān)，只是r和z的函數(shù)。3T/CICXXXXX—XXXX5.2單位制單位制的選擇應(yīng)按照GB3100-1993和GB/T3101的規(guī)定執(zhí)行。所有的輸入數(shù)據(jù)應(yīng)指定一致性的單位制，推薦參考表A.1。5.3幾何模型構(gòu)建5.3.1總體要求a)封隔器結(jié)構(gòu)與幾何模型、橡膠材料和規(guī)格，應(yīng)符合HG/T2701-2016的規(guī)定；b)封隔器密封結(jié)構(gòu)建模應(yīng)包括密封膠筒、中心管、橡膠支撐環(huán)、上下可移動(dòng)塊及套管等關(guān)鍵部件；c)封隔器結(jié)構(gòu)與幾何模型，可根據(jù)實(shí)際選型、試驗(yàn)驗(yàn)證或生產(chǎn)需求等采用單膠筒、多膠筒以及不同支撐環(huán)結(jié)構(gòu)。5.3.2模型構(gòu)建及簡(jiǎn)化要求封隔器幾何模型零部件建模、裝配建模，應(yīng)按照GB/T26099.1的規(guī)定，具體滿足以下要求或條件：a)封隔器密封膠筒、中心管、橡膠支撐環(huán)、上下可移動(dòng)塊及套管均為360°旋轉(zhuǎn)體，如無(wú)特殊需求，有限元模型可采用軸對(duì)稱模型，也可建立三維模型。b)模擬封隔器的坐封過(guò)程，封隔器中心管、上下可移動(dòng)塊和套管可采用離散剛體，通過(guò)設(shè)置剛體參考點(diǎn)以控制下壓端的運(yùn)動(dòng)。c)對(duì)封隔器中心管及套管受力進(jìn)行分析，中心管與套管應(yīng)設(shè)置為變形體，需要對(duì)其設(shè)置材料參數(shù)，并按照5.4.4.2要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分。5.4有限元網(wǎng)格劃分5.4.1二維變形體網(wǎng)格劃分對(duì)于二維軸對(duì)稱問(wèn)題，封隔器密封膠筒及支撐環(huán)等可變形體應(yīng)采用三角形單元或者四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，推薦采用四邊形單元。封隔器密封膠筒橡膠材料應(yīng)選擇雜交單元模擬超彈性材料的不可壓縮行為。5.4.2三維變形體網(wǎng)格劃分對(duì)于三維封隔器模型，封隔器密封膠筒及支撐環(huán)等可變形體應(yīng)采用四面體單元、二次四面體單元或者六面體單元，推薦采用六面體單元，建議采用旋轉(zhuǎn)平面網(wǎng)格單元構(gòu)建三維變形體網(wǎng)格。膠筒橡膠材料應(yīng)選擇雜交單元來(lái)模擬超彈性材料的不可壓縮行為。5.4.3剛體網(wǎng)格劃分5.4.3.1對(duì)于軸對(duì)稱模型，剛體應(yīng)采用2節(jié)點(diǎn)剛性單元。5.4.3.2對(duì)于三維剛體，剛體應(yīng)構(gòu)建二維剛體表面，采用三維四邊形和三角形剛性單元，亦可通過(guò)旋轉(zhuǎn)一維剛體線單元得到三維四邊形剛體表面單元。4T/CICXXXXX—XXXX5.4.4網(wǎng)格疏密控制5.4.4.1封隔器膠筒與支撐環(huán)過(guò)渡倒角位置曲率變化大，應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。通過(guò)對(duì)封隔器膠筒網(wǎng)格劃分進(jìn)行敏感性分析確定合適的網(wǎng)格尺寸。5.4.4.2封隔器中心管與套管的軸向長(zhǎng)度與壁厚尺寸相差較大，建議單元長(zhǎng)寬比不超過(guò)3，壁厚方向單元不少于3層。5.5材料參數(shù)設(shè)置5.5.1封隔器膠筒橡膠材料與其他部件材料屬性的單位制應(yīng)與幾何模型所用單位制一致。5.5.2若中心管與套管采用剛體模型，應(yīng)定義質(zhì)量參考點(diǎn)；采用彈性體模型，應(yīng)定義彈性參數(shù)。5.5.3封隔器膠筒橡膠材料可使用橡膠材料力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的超彈性本構(gòu)來(lái)模擬。對(duì)橡膠材料的單軸拉伸和壓縮、等雙軸拉伸和壓縮、平面拉伸和壓縮以及體積拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)獲取的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)擬合出超彈性材料的材料參數(shù)，其中至少應(yīng)獲取單軸拉伸和單軸壓縮力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)，若有條件可獲取其他試驗(yàn)參數(shù)。5.5.4常用超彈性本構(gòu)模型主要包括：Neo-Hookean形式、Mooney-Rivlin形式、多項(xiàng)式形式、Yeoh形式和Ogden形式。5.5.5封隔器金屬支撐環(huán)應(yīng)準(zhǔn)確輸入材料的彈性參數(shù)和塑性參數(shù)。定義塑性參數(shù)時(shí)，應(yīng)采用真實(shí)應(yīng)力和真實(shí)應(yīng)變。材料試驗(yàn)的數(shù)據(jù)一般為名義應(yīng)力和名義應(yīng)變，應(yīng)把塑性部分的名義應(yīng)力-應(yīng)變轉(zhuǎn)換為真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變。轉(zhuǎn)換公式如下：其中，l0—試樣初始長(zhǎng)度，單位為毫米（mmA0—試樣初始面積，單位為平方毫米（mm2l—試樣當(dāng)前長(zhǎng)度，單位為毫米（mmA—當(dāng)前截面面積，單位為平方毫米（mm2）。支撐環(huán)材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)塑性參數(shù)數(shù)據(jù)處理，參見(jiàn)附錄B.1，真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變必須嚴(yán)格遞增。5.6接觸與約束設(shè)置5.6.1封隔器密封膠筒、中心管、支撐環(huán)與套管之間需要定義接觸屬性，法向宜采用硬接觸，切向宜采用庫(kù)倫摩擦，接觸形式推薦采用面對(duì)面接觸。根據(jù)材料的不同選擇摩擦系數(shù)。5.6.2封隔器密封膠筒、支撐環(huán)、中心管、上下移動(dòng)端與套管各接觸面上均應(yīng)定義接觸對(duì)，宜選擇剛度較大的接觸面為主面，剛度較小的接觸面為從面。5.7邊界條件與載荷施加5T/CICXXXXX—XXXX5.7.1邊界條件5.7.1.1根據(jù)封隔器作業(yè)工況及坐封過(guò)程，施加相應(yīng)的約束條件。5.7.1.2邊界約束條件應(yīng)施加在封隔器固定壓端的端部，在移動(dòng)端施加軸向位移邊界條件，保留徑向與端向自由度無(wú)約束；下部支撐端固定，約束六個(gè)方向自由度。套管與中心管固定，約束六個(gè)方向自由度。5.7.2載荷施加5.7.2.1應(yīng)按照實(shí)際封隔器坐封過(guò)程的壓縮距，定義可移動(dòng)端的位移載荷。5.7.2.2建議第一個(gè)載荷步先定義小位移使得各部件建立接觸，再施加完整軸向位移，直至坐封結(jié)束。6有限元模型檢查6.1網(wǎng)格檢查劃分網(wǎng)格時(shí)，應(yīng)對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行檢查，具體檢查內(nèi)容及要求如下：a)模型中不應(yīng)存在畸變網(wǎng)格，網(wǎng)格檢查的主要參數(shù)包括單元方向、長(zhǎng)寬比、翹曲度、偏斜角、內(nèi)角等方面。b)保證結(jié)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的單元高質(zhì)量，非重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的單元質(zhì)量可適當(dāng)降低。c)確認(rèn)橡膠超彈性材料部件使用雜交單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。6.2質(zhì)量特性檢查網(wǎng)格劃分后，應(yīng)對(duì)封隔器膠筒與支撐端的模型質(zhì)量分布、總重量、質(zhì)心位置、裝配相對(duì)位置等參數(shù)進(jìn)行檢查。結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析建議定義可移動(dòng)端參考點(diǎn)質(zhì)量，檢查配重后模型各部分質(zhì)量分布、質(zhì)心是否與實(shí)際狀態(tài)一致。6.3工程特性檢查網(wǎng)格劃分后，應(yīng)對(duì)封隔器密封膠筒與支撐環(huán)進(jìn)行工程特性檢查，具體檢查內(nèi)容及要求如下：a)材料參數(shù)檢查。根據(jù)支撐環(huán)材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線檢查彈性與塑性參數(shù)，材料參數(shù)需同時(shí)滿足材料本構(gòu)模型與材料性能測(cè)試要求。根據(jù)封隔器膠筒橡膠材料力學(xué)性能參數(shù)檢查橡膠超彈性本構(gòu)模型的選擇與參數(shù)設(shè)置。b)單元類型檢查。根據(jù)二維軸對(duì)稱模型和三維實(shí)體模型有限元建模要求，對(duì)封隔器密封膠筒、支撐環(huán)的單元類型進(jìn)行檢查，單元類型應(yīng)與模型屬性定義一致。c)接觸與約束檢查。檢查封隔器密封膠筒、中心管、橡膠支撐環(huán)、上下可移動(dòng)塊及套管之間的接觸和約束關(guān)系，宜對(duì)摩擦系數(shù)與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析。d)邊界與載荷檢查。根據(jù)封隔器坐封工況，檢查上下可移動(dòng)塊的自由度約束以及內(nèi)外壁載荷；根據(jù)可移動(dòng)塊的運(yùn)動(dòng)方向，檢查位移載荷方向，確保邊界約束與載荷定義合理。7模型分析與調(diào)試6T/CICXXXXX—XXXX7.1模型分析7.1.1封隔器坐封過(guò)程分析是典型的材料非線性、幾何非線性和接觸非線性問(wèn)題，采用靜力學(xué)分析時(shí)，應(yīng)打開(kāi)大變形開(kāi)關(guān)，分析步增量推薦0.1至1，分析步總數(shù)量推薦為1000。7.1.2模型分析過(guò)程中宜啟動(dòng)接觸狀態(tài)、計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)監(jiān)測(cè)等功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)接觸狀態(tài)與收斂性，以便收斂困難時(shí)，對(duì)分析模型做出調(diào)整。7.1.3模型應(yīng)根據(jù)封隔器設(shè)計(jì)與優(yōu)化、結(jié)果評(píng)價(jià)的需要，設(shè)置合理、全面的輸出場(chǎng)變量或歷史變量，該包括但不限于應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、位移場(chǎng)、接觸壓力、可移動(dòng)塊反力等。7.2模型調(diào)試7.2.1模型提交計(jì)算時(shí)，可以根據(jù)計(jì)算機(jī)性能及軟件許可權(quán)限，設(shè)置合理的CPU核心數(shù)量及內(nèi)存占用量，以提高計(jì)算效率，縮短計(jì)算時(shí)間。7.2.2模型計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)場(chǎng)變量或求解控制參數(shù)等發(fā)現(xiàn)模型收斂困難，或無(wú)法收斂時(shí)，可以重新設(shè)置計(jì)算求解控制參數(shù)，比如降低分析步增量等，以達(dá)到收斂目的。8結(jié)果評(píng)估8.1評(píng)估方法8.1.1表象評(píng)估法通過(guò)結(jié)果表象進(jìn)行定性評(píng)估，具體方法如下：a)根據(jù)輸出計(jì)算過(guò)程狀態(tài)文件，監(jiān)測(cè)模型的收斂性。b)分析封隔器膠筒與支撐端的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)，接觸狀態(tài)及結(jié)構(gòu)變形的合理性。8.1.2數(shù)值評(píng)估法多次試算封隔器膠筒倒角、支撐環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)與套管尺寸等幾何模型，摩擦系數(shù)等接觸約束參數(shù)，位移邊界與載荷設(shè)置參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)封隔器坐封過(guò)程數(shù)值分析結(jié)果的可靠性評(píng)估。8.1.3試驗(yàn)驗(yàn)證法封隔器物理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證定量評(píng)估，通過(guò)監(jiān)測(cè)場(chǎng)變量數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)變形參數(shù)，對(duì)比有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，如果偏差較大，以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)修正有限元分析模型重新校驗(yàn)計(jì)算后再評(píng)估。8.2評(píng)估程序封隔器模型分析結(jié)果的評(píng)估應(yīng)依次采用表象評(píng)估法和數(shù)值評(píng)估法進(jìn)行定性評(píng)估，并結(jié)合評(píng)估結(jié)果采用物理樣機(jī)試驗(yàn)法驗(yàn)證。評(píng)估后，如分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)存在偏差，需根據(jù)情況，對(duì)有限元模型的單元類型、階次、網(wǎng)格尺寸、材料屬性及邊界條件等進(jìn)行修正，并重新計(jì)算和評(píng)估，直到分析結(jié)果滿足評(píng)估要求。9輸出結(jié)果與評(píng)價(jià)7T/CICXXXXX—XXXX9.1場(chǎng)變量提取與后處理主要提取封隔器密封膠筒與支撐環(huán)的應(yīng)力、應(yīng)變及變形位移數(shù)據(jù)，密封膠筒與套管的接觸應(yīng)力分布，可移動(dòng)塊位移量與接觸應(yīng)力、變形量的路徑關(guān)系曲線等。9.2歷史變量提取與后處理主要提取可移動(dòng)塊的支反力，得到封隔器坐封過(guò)程隨時(shí)間的反力曲線。10報(bào)告編寫10.1報(bào)告內(nèi)容針對(duì)具體分析對(duì)象編寫有限元仿真分析報(bào)告，報(bào)告包括但不限于以下內(nèi)容：a)任務(wù)概述b)模型介紹c)分析過(guò)程d)結(jié)果分析與結(jié)論10.2任務(wù)概述對(duì)封隔器坐封過(guò)程及優(yōu)化分析的任務(wù)/項(xiàng)目背景進(jìn)行概述，說(shuō)明本報(bào)告采用的分析類型、分析方法、分析結(jié)果與結(jié)論等。10.3模型介紹描述封隔器坐封過(guò)程有限元建模采用的分析類型，模型幾何尺寸、以及幾何模型的簡(jiǎn)化及其合理性10.4分析過(guò)程封隔器有限元分析過(guò)程通常包含模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、材料處理、邊界條件、載荷施加和求解方式等有限元建模過(guò)程的描述。10.5結(jié)果分析和結(jié)論10.5.1報(bào)告最后應(yīng)給出典型的圖表結(jié)果，如應(yīng)力/應(yīng)變?cè)茍D、變形位移圖、接觸壓力分布圖等。10.5.2如有物理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)估，應(yīng)包含結(jié)果對(duì)比與誤差分析。10.6參考與引用文件包含文獻(xiàn)、試驗(yàn)、技術(shù)資料或其他文件等數(shù)據(jù)或結(jié)論時(shí)，在報(bào)告中注明引用文件的作者、名稱和時(shí)間等作為參考文獻(xiàn)。10.7符