《封隔器有限元仿真分析规程 第1部分 密封机构》 征求意见稿

1T/CICXXXXX—XXXX封隔器有限元仿真分析规程第1部分：密封机构本文件规定了压缩式封隔器密封机构坐封过程有限元仿真分析类型选择及计算流程、有限元建模规则、有限元模型检查、模型分析与调试、结果评价、结果输出和报告编写等要求。本文件适用于封隔器研发设计、加工生产、测试及现场应用阶段的有限元仿真分析，类似产品可参考。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB3100-1993国际单位制及其应用GB/T3101有关量、单位和符号的一般原则GB/T26099.1机械产品三维建模通用规则HG/T2701-2016压缩式封隔器胶筒3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1压缩式封隔器compressionpacker靠轴向力压缩封隔件，使封隔件扩径来实现密封的封隔器。3.2坐封力packersettingforce压缩式封隔器坐封时所需的轴向压缩力。3.3压缩距compressiondistance封隔器坐封时其轴向被压缩的距离。3.4工作压差operatingpressuredifferential封隔器坐封后，胶筒两端所承受的压力之差。2T/CICXXXXX—XXXX3.5轴对称模型asymmetricmodel几何形状、约束条件及作用的载荷都对称于某一固定轴的模型。3.6超弹性材料hyperelasticmaterial一种理想弹性材料的本构模型，其应力应变关系通过应变能密度函数表述。3.7场变量fieldvariable描述随空间位置变化的物理量。3.8历史变量historicalvariable描述随时间变化的物理量。4计算类型选择及计算流程4.1算法选择封隔器启动坐封至坐封完成，胶筒与套管接触过程的有限元仿真分析宜采用结构静力学分析，载荷分析步中应考虑几何非线性。4.2材料参数获取封隔器胶筒的橡胶材料参数宜通过开展橡胶材料力学性能试验获取，并按照5.5.3进行超弹性材料本构模型拟合。支撑环的金属材料参数宜通过开展单轴拉伸试验获取材料的应力-应变曲线，并按照5.5.4进行数据处理。4.3有限元仿真分析流程封隔器坐封过程有限元仿真分析，首先需要根据封隔器设计与优化目标、计算周期和计算资源等制定有限元分析方案，主要流程包括橡胶超弹性本构模型拟合、有限元建模、提交计算、结果输出、结果评估及报告编写等六部分。5有限元建模规则5.1坐标系坐标系由右手定则来确定，二维轴对称模型宜选用笛卡尔直角坐标系。若采用三维实体模型，可以采用圆柱坐标系（r，θ,z），对于轴对称模型，通常以z轴为对称轴，所有应力、应变和位移都与θ方向无关，只是r和z的函数。3T/CICXXXXX—XXXX5.2单位制单位制的选择应按照GB3100-1993和GB/T3101的规定执行。所有的输入数据应指定一致性的单位制，推荐参考表A.1。5.3几何模型构建5.3.1总体要求a)封隔器结构与几何模型、橡胶材料和规格，应符合HG/T2701-2016的规定；b)封隔器密封结构建模应包括密封胶筒、中心管、橡胶支撑环、上下可移动块及套管等关键部件；c)封隔器结构与几何模型，可根据实际选型、试验验证或生产需求等采用单胶筒、多胶筒以及不同支撑环结构。5.3.2模型构建及简化要求封隔器几何模型零部件建模、装配建模，应按照GB/T26099.1的规定，具体满足以下要求或条件：a)封隔器密封胶筒、中心管、橡胶支撑环、上下可移动块及套管均为360°旋转体，如无特殊需求，有限元模型可采用轴对称模型，也可建立三维模型。b)模拟封隔器的坐封过程，封隔器中心管、上下可移动块和套管可采用离散刚体，通过设置刚体参考点以控制下压端的运动。c)对封隔器中心管及套管受力进行分析，中心管与套管应设置为变形体，需要对其设置材料参数，并按照5.4.4.2要求进行网格划分。5.4有限元网格划分5.4.1二维变形体网格划分对于二维轴对称问题，封隔器密封胶筒及支撑环等可变形体应采用三角形单元或者四边形单元进行网格划分，推荐采用四边形单元。封隔器密封胶筒橡胶材料应选择杂交单元模拟超弹性材料的不可压缩行为。5.4.2三维变形体网格划分对于三维封隔器模型，封隔器密封胶筒及支撑环等可变形体应采用四面体单元、二次四面体单元或者六面体单元，推荐采用六面体单元，建议采用旋转平面网格单元构建三维变形体网格。胶筒橡胶材料应选择杂交单元来模拟超弹性材料的不可压缩行为。5.4.3刚体网格划分5.4.3.1对于轴对称模型，刚体应采用2节点刚性单元。5.4.3.2对于三维刚体，刚体应构建二维刚体表面，采用三维四边形和三角形刚性单元，亦可通过旋转一维刚体线单元得到三维四边形刚体表面单元。4T/CICXXXXX—XXXX5.4.4网格疏密控制5.4.4.1封隔器胶筒与支撑环过渡倒角位置曲率变化大，应进行网格细化。通过对封隔器胶筒网格划分进行敏感性分析确定合适的网格尺寸。5.4.4.2封隔器中心管与套管的轴向长度与壁厚尺寸相差较大，建议单元长宽比不超过3，壁厚方向单元不少于3层。5.5材料参数设置5.5.1封隔器胶筒橡胶材料与其他部件材料属性的单位制应与几何模型所用单位制一致。5.5.2若中心管与套管采用刚体模型，应定义质量参考点；采用弹性体模型，应定义弹性参数。5.5.3封隔器胶筒橡胶材料可使用橡胶材料力学性能试验数据拟合的超弹性本构来模拟。对橡胶材料的单轴拉伸和压缩、等双轴拉伸和压缩、平面拉伸和压缩以及体积拉伸和压缩实验获取的工程应力-应变曲线数据拟合出超弹性材料的材料参数，其中至少应获取单轴拉伸和单轴压缩力学性能测试数据，若有条件可获取其他试验参数。5.5.4常用超弹性本构模型主要包括：Neo-Hookean形式、Mooney-Rivlin形式、多项式形式、Yeoh形式和Ogden形式。5.5.5封隔器金属支撑环应准确输入材料的弹性参数和塑性参数。定义塑性参数时，应采用真实应力和真实应变。材料试验的数据一般为名义应力和名义应变，应把塑性部分的名义应力-应变转换为真实应力-应变。转换公式如下：其中，l0—试样初始长度，单位为毫米（mmA0—试样初始面积，单位为平方毫米（mm2l—试样当前长度，单位为毫米（mmA—当前截面面积，单位为平方毫米（mm2）。支撑环材料试验数据塑性参数数据处理，参见附录B.1，真实应力-应变必须严格递增。5.6接触与约束设置5.6.1封隔器密封胶筒、中心管、支撑环与套管之间需要定义接触属性，法向宜采用硬接触，切向宜采用库伦摩擦，接触形式推荐采用面对面接触。根据材料的不同选择摩擦系数。5.6.2封隔器密封胶筒、支撑环、中心管、上下移动端与套管各接触面上均应定义接触对，宜选择刚度较大的接触面为主面，刚度较小的接触面为从面。5.7边界条件与载荷施加5T/CICXXXXX—XXXX5.7.1边界条件5.7.1.1根据封隔器作业工况及坐封过程，施加相应的约束条件。5.7.1.2边界约束条件应施加在封隔器固定压端的端部，在移动端施加轴向位移边界条件，保留径向与端向自由度无约束；下部支撑端固定，约束六个方向自由度。套管与中心管固定，约束六个方向自由度。5.7.2载荷施加5.7.2.1应按照实际封隔器坐封过程的压缩距，定义可移动端的位移载荷。5.7.2.2建议第一个载荷步先定义小位移使得各部件建立接触，再施加完整轴向位移，直至坐封结束。6有限元模型检查6.1网格检查划分网格时，应对网格单元进行检查，具体检查内容及要求如下：a)模型中不应存在畸变网格，网格检查的主要参数包括单元方向、长宽比、翘曲度、偏斜角、内角等方面。b)保证结构重点关注区域的单元高质量，非重点关注区域的单元质量可适当降低。c)确认橡胶超弹性材料部件使用杂交单元进行网格划分。6.2质量特性检查网格划分后，应对封隔器胶筒与支撑端的模型质量分布、总重量、质心位置、装配相对位置等参数进行检查。结构静强度分析建议定义可移动端参考点质量，检查配重后模型各部分质量分布、质心是否与实际状态一致。6.3工程特性检查网格划分后，应对封隔器密封胶筒与支撑环进行工程特性检查，具体检查内容及要求如下：a)材料参数检查。根据支撑环材料应力-应变关系曲线检查弹性与塑性参数，材料参数需同时满足材料本构模型与材料性能测试要求。根据封隔器胶筒橡胶材料力学性能参数检查橡胶超弹性本构模型的选择与参数设置。b)单元类型检查。根据二维轴对称模型和三维实体模型有限元建模要求，对封隔器密封胶筒、支撑环的单元类型进行检查，单元类型应与模型属性定义一致。c)接触与约束检查。检查封隔器密封胶筒、中心管、橡胶支撑环、上下可移动块及套管之间的接触和约束关系，宜对摩擦系数与试验进行对标分析。d)边界与载荷检查。根据封隔器坐封工况，检查上下可移动块的自由度约束以及内外壁载荷；根据可移动块的运动方向，检查位移载荷方向，确保边界约束与载荷定义合理。7模型分析与调试6T/CICXXXXX—XXXX7.1模型分析7.1.1封隔器坐封过程分析是典型的材料非线性、几何非线性和接触非线性问题，采用静力学分析时，应打开大变形开关，分析步增量推荐0.1至1，分析步总数量推荐为1000。7.1.2模型分析过程中宜启动接触状态、计算时间步长监测等功能，实时监测接触状态与收敛性，以便收敛困难时，对分析模型做出调整。7.1.3模型应根据封隔器设计与优化、结果评价的需要，设置合理、全面的输出场变量或历史变量，该包括但不限于应力应变场、位移场、接触压力、可移动块反力等。7.2模型调试7.2.1模型提交计算时，可以根据计算机性能及软件许可权限，设置合理的CPU核心数量及内存占用量，以提高计算效率，缩短计算时间。7.2.2模型计算过程中，通过监测场变量或求解控制参数等发现模型收敛困难，或无法收敛时，可以重新设置计算求解控制参数，比如降低分析步增量等，以达到收敛目的。8结果评估8.1评估方法8.1.1表象评估法通过结果表象进行定性评估，具体方法如下：a)根据输出计算过程状态文件，监测模型的收敛性。b)分析封隔器胶筒与支撑端的应力、应变场，接触状态及结构变形的合理性。8.1.2数值评估法多次试算封隔器胶筒倒角、支撑环结构参数与套管尺寸等几何模型，摩擦系数等接触约束参数，位移边界与载荷设置参数等，实现对封隔器坐封过程数值分析结果的可靠性评估。8.1.3试验验证法封隔器物理样机试验验证定量评估，通过监测场变量数据与结构变形参数，对比有限元分析结果与试验结果，如果偏差较大，以试验结果为依据修正有限元分析模型重新校验计算后再评估。8.2评估程序封隔器模型分析结果的评估应依次采用表象评估法和数值评估法进行定性评估，并结合评估结果采用物理样机试验法验证。评估后，如分析结果与结构实际状态存在偏差，需根据情况，对有限元模型的单元类型、阶次、网格尺寸、材料属性及边界条件等进行修正，并重新计算和评估，直到分析结果满足评估要求。9输出结果与评价7T/CICXXXXX—XXXX9.1场变量提取与后处理主要提取封隔器密封胶筒与支撑环的应力、应变及变形位移数据，密封胶筒与套管的接触应力分布，可移动块位移量与接触应力、变形量的路径关系曲线等。9.2历史变量提取与后处理主要提取可移动块的支反力，得到封隔器坐封过程随时间的反力曲线。10报告编写10.1报告内容针对具体分析对象编写有限元仿真分析报告，报告包括但不限于以下内容：a)任务概述b)模型介绍c)分析过程d)结果分析与结论10.2任务概述对封隔器坐封过程及优化分析的任务/项目背景进行概述，说明本报告采用的分析类型、分析方法、分析结果与结论等。10.3模型介绍描述封隔器坐封过程有限元建模采用的分析类型，模型几何尺寸、以及几何模型的简化及其合理性10.4分析过程封隔器有限元分析过程通常包含模型简化、网格划分、材料处理、边界条件、载荷施加和求解方式等有限元建模过程的描述。10.5结果分析和结论10.5.1报告最后应给出典型的图表结果，如应力/应变云图、变形位移图、接触压力分布图等。10.5.2如有物理样机试验验证评估，应包含结果对比与误差分析。10.6参考与引用文件包含文献、试验、技术资料或其他文件等数据或结论时，在报告中注明引用文件的作者、名称和时间等作为参考文献。10.7符