基于CAD／CAE集成方法的封隔器的设计.pdf

第 2 2卷第 2期 2 0 0 9年 6 月 聊城大学学报 自然科学版 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设计 赵海晖D 中国石油大学 华东 机电工程学院 山东 东 营 2 5 7 0 6 1 摘要封隔器是油田实现精 细开发 的重要工具 本文通过 Y3 4 1 1 4 8型封 隔器虚拟模型的构 建和仿真分析 构建 了封隔器仿真分析平 台 探 索了实现封 隔器可视化分析 虚拟样机分析和力 学性能仿真分析的方法 对 Y3 4 1 1 4 8型封隔器和类似封隔器的设计与分析有借鉴意义 关键 词封 隔器 虚拟样机 仿 真 建模 中图分类号T E 9 3 1 文献标识码A 文章编号 1 6 7 2 6 6 3 4 2 0 0 9 0 2 0 1 0 0 0 4 伴随石油开采技术的不断发展 封隔器的下人深度不断增加 工作环境 已经深人到高温 高压和复杂 的深部地层 因而对封隔器综合性能提出了更高的要求 因此 采用虚拟设计技术构建封隔器虚拟样机并 实现其工作行为的仿真及力学特性分析 不仅可 以验证机构的合理性 而且 为设计提供 了可供借鉴 的失 效 破坏分析数据 减少了实物试验的数量 节约了实支成本 因而成为井下作业工具 的新 的研究方向 本文以 Y3 4 1 1 4 8型封隔器为研究对象 建立了封 隔器的虚拟样机 进行了运动仿真和有限元分析 实现 C AD C AE有机集成 为新型封隔器的设计研发打下了基础 1 国 内外研究现状 国外封隔器研究正朝着高性能 多用途 适应多种工况 寿命长 设计简单 大通径 密封材料具有更好 弹性与回收性的方向发展 例如研发成功可取式下放短节 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灵活性和更好的控制性 完成了油气井完井工艺 的重大改革 利用先进 的化学和机械切割技术发展 了可移动式封隔器 以代替可取式封隔器和永久式封隔器 国内研究的重点主要集 中在封隔器系统受力分析 新产品开发 结构改进 密封胶筒元件的井下工作 性能分析 胶筒及封隔器室内试验研究等几个方面 取得了一定的成绩 例如江汉油田采油工艺研究所 胜 利油田采油工艺研究院在封隔器的新产品设计 制造及其应用方面积累了丰富的经验 在国内占据着非常 重要的地位 但是 相关研究成果主要集 中在对具体产品的具体性能改造上 没有充分与现代设计方法相 结合 从而在虚拟样机研究方面相对落后 缺乏对封隔器的系统建模和综合分析 2 存在 的主要问题 当前 在研发封隔器的过程中主要存在以下问题 1 物理样机仍然是试验的主要依据 需要进行反 复试验尤其是破坏性实验 实验结果反应滞后 且研制成本较高 2 未能按 照现代设计 方法 的要求 将 C AD C AE有机集成 设计手段相对落后 设计周期较长 3 传统的静力学计算方法仍然是主要 的分析 手段 导致了设计结果精度低 与封隔器井下工作时的实际受力情况相去甚远 仍 以单个零部件为研究对 象 参考国外结构进行仿制为主 因此 运用现代设计手段构建封隔器虚拟样机从而形成可视化研究平台 收稿 日期 2 0 0 8 1 1 1 2 通讯作者 赵海辉 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 赵海 辉等 基 于 C A D C AE集成方法 的封 隔器的设计 1 O 1 是 目前 国 内封 隔 器研 究工 作 者 的主要 课题 3 Y3 4 1 1 4 8封 隔器 的结构简介 3 1 结 构 Y3 4 1 1 4 8型 3 5封 隔 器主 要结 构包 括 密封 坐 封 以及 解 封 由上 接 头 压 帽 胶 筒 缸 套 活塞 外 套 内中心管 下接头 O 型密封圈等组成 其结构如图 1 所示 1 上接头 2 销钉 3 上外套 4 锁黄座 5 锁扣 指 6 锁指套 7 锁 环 8 卡爪套 9 内中心管 1 0 外 中心管 l 1 上胶筒座 1 2 胶筒 1 3 隔环 1 4 下胶筒 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 下接头 2 1 劳钉 2 2 剪钉座 2 3 防撞 环 图 1 Y3 4 1 1 4 8型 封隔器结构图 3 2 工 作原 理 坐封与解封是工作过程的两个重要环节 坐封 从 油管 内加 液压 液 压 经下 接 头 的小 孔 作 用 于 活塞 上 活塞推动锁套剪断销钉使密封环上移压缩胶筒 使胶筒直 径 变 大封 隔油套 环 形 空 间 放 掉油 管 压 力 后 因锁 套 和 卡 瓦 上 的倒 马牙 扣锁 在一 起 因此 胶筒 不 能 弹 回 L 4 解 封 上提 油管 上 接 头带 动 内中心 管 下 接 头上 行 而外 中 心管 锁套和卡瓦 卡瓦座相对不动 解封套上行且内锥面使卡 瓦内收 胶筒和锁套下行 胶筒弹回 实现解封 4 Y3 4 1 1 4 8型封隔器的参数化三维模型建立 P r o E是基 于 特征 建模 的 C AD C AM C AE参 数化 集 成 系统 具 有 完 全关联性 尺寸驱动性等显著优点 基于 P r o E的虚拟样机技术并以 此为平 台完成设计 制造以及仿真的研究 可满足现代设计方法的要 求 实现封隔器的敏捷设计 与制造 提高设计质量 和缩 短设计周期 为此 我们选择该软件作为参数化建模软件 封隔器的零 件多以回转 体为主 形状规则 在参数化造型过程中以拉伸 旋转特征构型 建立 了如 图 3所示 的各 零件 三 维 参 数化 模 型 最 后将 模 型 装 配 以得 到该 封 隔器 的三维 实 体模 型 5 Y3 4 1 1 4 8型封隔器 的运动仿真 与有 限元分析 完成 Y3 4 1 1 4 8型封隔器的三维实体模型后 使用该模型 就可 以对该封隔器进行零部件的运动仿真分析和有 限元强度分析 实现 C AD C AE的集成 在这 样 的虚 拟 环境 中 分 析 封 隔 器 的设 计 合 理性 可以显著提高设计效率 降低设计成本 其分析过程如图 4所示 图 3 封隔器三维模型 的装配 5 1 实际工况运动仿真模拟 在 P r o E 的装 配 环境 下 实 现封 隔 器 的 装 配 然后 将 模 型 导人 内图 4 c A D c A E有机集成工作流程图 嵌模块 P r o Me c h a n i c s 进行运动仿真 对各种运动参数进行测量 同时 进行坐封与解封的动作模拟 以排 除机构发生碰撞干涉的可能性 必要时重新建立模型 再次进行运动分析 直至实现合理的结构 运动分析工作流程如下 1 创建模型 定义主体 生成连接 定义连接轴设置 2 检查模型 拖动组 1 0 2 聊 城 大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 2 2卷 件 检验所定义的连接是否能产生预期的运动 3 加入运动分析图元 设定伺服电机 4 准备分析 定 义初始位置 创建测量 5 分析模型 定义运动分析 运行 6 结果分析 结果回放 干涉检查 查看测量 结果 创建轨迹曲线 创建运动包络 图 5 P r o Me c h a n i c s 运动仿真流程图 坐封过程和解封过程的模拟如图 6和图 7所示 从模拟图可以看出 该封隔器动作设计合理 可满足 运动设计要求 图 6坐封过程运 动仿真 图 7解 封 过 程 运 动 仿 真 5 2 有 限元 分析 1 创建 ANS Y S几何模型 封隔器零件造型虽较为简单 但受力复杂 多体接触 承受 内外压力和轴 向载荷 需要进行精确的力学性能分析 为了实现 c AD C AE的有机集成 在 P r o E中建模并完成运动仿 真的分析模型 通过 内置数据转换接 口将几何模型导人 ANS Y S中 在 ANS YS中构建有限元分析模型 如典型零件内筒的三维模型 导人模型以及网格模型如图 8 9 1 O所示 图 8 内筒 的三维模型 图 9 内筒 的有 限元分析模 型 图 1 O 内筒 网格模型 图 l 1 内筒 Vo n Mi s e s 等值线图 第 2期 赵 海辉等 基于 C AD CA E集 成方法的封隔器 的设 计 1 O 3 2 封隔器受力分析 封隔器在实际工况下 其坐封过程中受力最大 其中内筒受力最大 最容易造成 破坏 按照所受的实际载荷 对内筒进行有限元分析 并求 出应力 应变分布规律 将整体性能的评价过程 可视化 并加 以量化 以实现破坏及疲劳的理论分析 Vo n Mi s e s 等值线图如图 l 1 所示 计算结果 两端主应力 o 3 7 5 5 MP a 7 4 2 7 MP a 中间部分主应力 d 1 1 0 5 MP a 1 4 7 9 MP a 上端开孔处有最大主应力 盯 一2 9 4 6 MP a 因此 孔 口处有应力集 中 建议 基于 P r o E n g i n e e r 构建三维模型时 设置适 当的轴肩处过渡圆角半径 在此设置为 R一5 mm 尺寸驱动模型重新生成之后 再用 ANS YS进行有限元分析 反复试验以实现结构优化 最终 综合考虑下 井深度 温度等诸多元素进行尺寸优化 圆角半径普遍设为 4 7 mm 有效降低了应力集 中 在现场应用 中 实现了较好的使用效果 6 结论 经上述分析 可得到如下结论 1 用虚拟样机 的方法 对封隔器进行仿真分析 可有效的解决封隔器 设计中出现的问题 缩短新型封隔器的研发周期 节约研发成本 2 本文的研究 实现 了封隔器研发 中 C AD C A E的有机集成 构建了可视化研究平台 为开发新型封隔器奠定了基础 参 考 文 献 1 3 湛精华 封隔器系统工作行为仿真研究 D 南充 西南石油大学 2 0 0 5 2 江汉 石油管理局采油工 艺研究 所 封隔器理论 基础与应用 M 北京 石油工业 出版社 1 9 8 3 3 陈莉 可洗井 自验封 Y3 4 1 1 1 5型封隔器 的研制与应用 J 石油矿场机械 2 0 0 3 3 2 3 4 0 4 2 4 申兴哲 DB F 1 5 2型 电潜泵封隔器 的研 制与应 用 J 石油机械 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页 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