T∕CIC 434-2025 封隔器有限元仿真分析规程 第2部分：锚定机构

ICS73.100.30CCSC25团体标准`Codeofpracticeforfiniteelementanalysis(FEA)ofpackPart2:Anchoringmec中国工业合作协会发布IT/CIC434—2025前言 II III 2规范性引用文件 3术语和定义 4有限元分析类型及建模流程 25前处理 26求解设置 57模型检查 58模型分析与调试 69后处理与结果评价 610报告编写 7附录A（资料性）一致性量纲系统 9附录B（资料性）材料参数数据处理示例 T/CIC434—2025本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本标准是《封隔器有限元仿真分析规程》的第2部分。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国工业合作协会仿真技术产业分会提出。本文件由中国工业合作协会归口。本文件起草单位：中国石油集团工程技术研究院有限公司、北京华美世纪国际技术有限公司、中国石油江汉机械研究所有限公司、北京石油机械有限公司、北京康布尔石油技术发展有限公司、中国石油西南油气田工程处、中国石油集团川庆钻探工程有限公司、北京金科龙石油技术开发有限公司、盐城市鑫源石化机械有限公司、中国石油大学、北京华汽工程技术研究院。本文件主要起草人：郭慧娟、刘宇、朱峰、王鹏、陈省身、刘江涛、马勇、黄靖富、周晓东、朱荣、杨兆亮、孙嘉、刘怀亮、周士杰、杨乃通、张吉喆、黄船、赵杰、蒋飞、刘洋、王宝栋、徐丙贵、陈冰邓、郭岩宝、张政、杨晓晖、庞艳辉、冯硕朋、刘敏。T/CIC434—2025封隔器是石油天然气井下作业的关键设备，其锚定机构的可靠性直接关系到井筒完整性和作业安全。有限元分析（FEA）是评估和优化锚定机构性能的重要工程手段。为规范封隔器锚定机构的有限元分析流程，提高仿真结果的可信度和可靠性，特制定本文件。本文件是《封隔器有限元仿真分析规程》系列标准的第2部分，旨在规范封隔器锚定机构有限元仿真分析的建模方法、仿真流程，结果评价等，通过统一仿真方法和标准，指导企业和研究机构开展科学的有限元仿真，为封隔器锚定机构和同类产品的设计、优化和选型提供科学依据。1T/CIC434—2025封隔器有限元仿真分析规程第2部分：锚定机构本文件规定了压缩式封隔器锚定机构有限元仿真分析的类型选择、建模流程、模型检查、模型分析与调试、后处理与结果评价和报告编写等要求。本文件适用于封隔器锚定机构的设计、优化与性能评估阶段的有限元仿真分析，类似具有锚定机构的产品可参考。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。GB/T228.1金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法GB/T228.2金属材料拉伸试验第2部分：高温试验方法GB3100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/T4339金属材料热膨胀特性参数的测定GB/T7314金属材料室温压缩试验方法3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1锚定anchoring通过物理咬合、摩擦或锁紧方式实现固定、连接的方式。3.2锚定机构anchoringmechanism通过物理咬合、摩擦或锁紧方式实现固定、连接或稳定某部件与基准位置的机械装置。3.3锚定位移anchoringdistance在轴向载荷作用下，锚定机构沿其轴向产生的位移量。3.4锚定力anchoringforce2T/CIC434—2025用于克服锚定机构与基准体之间通过物理咬合、摩擦或锁紧作用所施加的合力。3.5场变量fieldvariable描述随空间位置变化的物理量，如应力、应变等。3.6历史变量historicalvariable描述随时间变化的物理量，如载荷。4有限元分析类型及建模流程4.1分析类型封隔器卡瓦锚定过程速度缓慢，无冲击载荷，宜采用静力学分析。4.2建模流程封隔器锚定机构的有限元分析应包括以下阶段：a）前处理：几何建模、材料属性定义、网格划分、接触与边界条件设置；b）求解设置：分析步设置、收敛性控制；c）后处理：结果提取、评估与验证。5前处理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。三维实体模型宜采用圆柱坐标系（r，θ,z），对于轴对称模型，应将对称轴设为z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。5.2单位制单位制的选择应按照GB3100和GB/T3101的规定执行。所有的输入数据应指定一致的单位制，见5.3几何建模与简化a）模型应包含可移动锥体、卡瓦、固定锥体及套管等关键部件。封隔器卡瓦锚定机构示意见图1。3T/CIC434—2025图1压缩式封隔器卡瓦锚定机构示意图b）根据卡瓦本体结构，模型可采用轴对称、周期性循环对称或者完全三维结构模型。c）允许简化对整体力学行为影响较小的微观特征（如微小倒角、螺纹、非关键安装孔）。5.4材料属性定义5.4.1封隔器卡瓦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。5.4.2上下锥体与中心管可采用刚体模型，亦可采用可变形体，若采用可变形体，应定义弹塑性参数。5.4.3为准确评估锚定过程，宜对分析对象中的卡瓦牙板、套管材料参数进行力学性能测试，具体内容包括：a）针对封隔器卡瓦牙板金属材料，依据GB/T7314与GB/T228.2标准，利用材料试验机，对试样进行室温、高温力学性能试验，测得材料性能参数并进行数据分析、绘制应力应变关系曲线。b）针对套管材料，依据GB/T228.1、GB/T228.2，分别从环向和轴向两个方向取样，沿圆周互成120°各取3件，利用材料试验机，对试样进行室温、高温拉伸试验，测得材料性能参数并进行数据分析、绘制应力应变关系曲线。5.4.4试验数据一般为名义应力和名义应变，应转换为真实应力/应变值，转换公式如下：其中，εnom——名义应变；σnom——名义应力（MPaεtrue——真实应变；σtrue——真实应变（MPa4T/CIC434—2025l0——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）。金属材料塑性参数数据处理示例见附录B.1和附录B.2，真实应力-应变数据应严格递增。5.4.5考虑温度影响时，应考虑温度对变形的影响，需要获取材料的热膨胀系数，可依据GB/T4339的要求对封隔器卡瓦牙板金属材料进行取样，开展热膨胀系数测定，也可查《机械设计手册》获取。5.4.6本标准不考虑套管的损伤模型。5.5网格划分5.5.1可变形体网格划分5.5.1.1对于二维轴对称模型，可变形体可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。5.5.1.2对于三维模型，可变形体可采用线性四面体单元、二次四面体单元或者六面体单元，推荐采用六面体单元，若六面体网格不易生成，可采用四面体单元，优先采用二次四面体，采用旋转平面网格单元构建三维变形体网格。5.5.2刚体网格划分5.5.2.1对于轴对称模型，刚体应采用2节点刚性单元。5.5.2.2对于三维刚体，应构建二维刚体表面，采用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四边形刚体表面单元。5.5.3网格质量控制5.5.3.1卡瓦牙尺寸特征小，应进行网格细化，通过敏感性分析确定合适的网格尺寸，见本文8.2.2。5.5.3.2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。5.5.3.3单元质量宜满足长宽比小于5，翘曲角小于5°,内角在45°至135°之间。5.5.3.4对于卡瓦牙的网格密度，必要时可采用网格自适应技术或局部网格控制功能，以保证计算精度同时兼顾计算效率。5.6接触设置5.6.1应定义上下锥体与卡瓦内筒、卡瓦牙与套管之间的接触。5.6.2法向宜定义为“硬接触”，切向宜采用库伦摩擦模型，摩擦系数应根据试验或经验数据确定，建议锥体-卡瓦内壁摩擦系数为0.2，卡瓦牙-套管内壁摩擦系数为0.35。5.6.3刚度较大的表面应设置为主面，锥体-卡瓦内壁接触对，推荐锥体为主面；卡瓦牙-套管接触对，推荐卡瓦为主面。5T/CIC434—20255.7边界条件与载荷施加5.7.1边界条件5.7.1.1套管外壁和下锥体固定端应约束六个方向自由度；5.7.1.2上锥体应约束径向和环向自由度，保留轴向自由度。5.7.2载荷施加5.7.2.1应按照实际封隔器锚定过程的锚定位移，定义上锥体位移载荷。5.7.2.2上锥体移动过程，建议分两个载荷步，第一步施加小位移建立平稳接触；第二步施加完整位移直至锚定完成。5.7.2.3对于高温环境（大于100℃),施加相应的温度载荷。6求解设置6.1分析步设置a）锚定过程中套管会发生局部塑性变形，应考虑几何非线性效应。b）初始增量步推荐设为0.01，最大增量步数不少于1000，亦可采用自适应分析步。6.2求解器与收敛控制a）建议使用非线性求解器（如Newton-Raphson方法）。b）应监控求解过程中的残差、载荷步长等收敛指标。c）若出现收敛困难，可尝试调整增量步大小、接触控制参数或使用粘性正则化选项。7模型检查7.1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。7.2工程特性检查网格划分后，应对卡瓦机构进行工程特性检查，具体检查内容及要求如下：a）材料参数检查。对设置可变形体的部件，根据对应材料的应力-应变关系曲线检查弹性与塑性参数，参数设置需同时符合材料本构模型要求与材料性能测试结果。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，对锚定机构各部件的单元类型进行检查，单元类型应与模型属性定义一致。6T/CIC434—2025c）接触与约束检查。检查封隔器卡瓦、上下锥体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。根据封隔器卡瓦锚定工况，检查上下锥体的自由度约束以及载荷；根据锥体的运动方向，检查位移载荷方向，确保边界约束与载荷定义合理。8模型分析与调试8.1模型分析8.1.1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，对模型做出调整。8.1.2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，包括但不限于应力/应变场、位移场、接触压力和可移动锥体反力等。8.1.3模型提交计算时，可以根据计算硬件和软件的资源配置，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。8.2模型调试8.2.1模型计算过程中，通过监测场变量或收敛指标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。8.2.2网格敏感性分析8.2.2.1在提交最终计算前，应对模型进行网格敏感性分析，以评估网格密度对关键结果的影响，确保计算结果不受网格划分的过度影响，从而提高结果的可靠性与精度。8.2.2.2网格敏感性分析宜遵循以下步骤：a）建立一套初始的基准网格模型；b）在卡瓦本体、卡瓦牙和套管等重点关注区域逐步加密网格，生成至少两种不同密度的网格模型；c）在相同的载荷与边界条件下，对比不同网格模型所计算出的最大等效应力、接触压力分布、反力等关键结果。d）当连续两次尺寸减半网格加密后，关键结果的变化率小于可接受的容差（建议为5%）时，可认为此时采用的网格密度是适宜的，若超过5%，需继续加密调整。9后处理与结果评价9.1结果提取应提取以下结果用于评估：a）卡瓦与套管的Mises应力、塑性应变云图。b）卡瓦与套管的接触压力分布。c）锚定力—位移曲线。7T/CIC434—2025d）卡瓦的位移场。9.2结果评估方法9.2.1定性评估：检查应力、应变分布是否合理，接触状态是否符合预期。9.2.2定量评估：将仿真得到的锚定力、应力集中程度与试验数据或设计目标进行对比。9.3模型验证与修正a）若仿真结果与试验数据误差超过工程精度许可，应重新评估并修正模型参数，如材料本构、摩擦系数等。b）修正后的模型应重新计算直至结果满足工程精度要求。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，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；e）参考文献。10.2任务概述对封隔器锚定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锚定过程有限元分析所采用的几何模型、材料属性、网格划分及边界条件，以确保分析过程的准确性和可重复性。10.4分析过程描述分析的求解设置、收敛性控制以及用于结果评估的关键指标，以便复现封隔器锚定过程的仿真流程。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、变形位移图和接触压力分布图等。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。10.6参考文献8T/CIC434—2025仿真分析过程采用的数据，若查阅参考资料或文献，应作为报告的参考文献，以便追溯。9T/CIC434—2025表A.1给出了常用的一致性量纲系统。表A.1一致性量纲系统量USUnit/ftUSUnit/inchmft力NNlbflbflbfs2/insssspsi(lbf/in2)JmJftlbfinlbfkg/m3lbfs2/in4T/CIC434—2025（资料性）材料参数数据处理示例B.1材料塑性参数数据处理模板见表B.1、B.2。表B.1J55套管材料塑性参数数据处理示例45400.003946454.080.003939455.870.0016590.005126466.000.005113468.380.0027710.006374476.690.006354479.730.0039550.007533485.850.007505489.510.0050570.008789495.670.008750500.020.0062500.010428505.040.010374510.300.0078220.0121760.012103520.370.0095010.013934522.940.013838530.230.0111860.015681530.700.015559539.030.0128640.0174490.017299548.520.0145560.019206547.250.019024557.760.0162350.020954554.960.020738566.580.0179050.022732562.640.022477575.430.0196000.024489569.200.0241940.0212780.026247576.270.025908591.390.0229510.028015583.100.027629599.440.0246320.029762589.560.0293280.0262930.031520595.960.031033614.740.0279600.033277601.940.032735621.970.0296250.035025607.770.034425629.060.0312800.036782612.530.036122635.060.0329460.038530617.830.037806641.640.0345980.040287622.950.039497648.050.0362560.042045627.920.041185654.320.0379140.043792632.540.042860660.240.039559T/CIC434—2025表B.1J55套管材料塑性参数数据处理示例（续）0.045570637.090.0445620.0412310.047317641.240.046232671.580.0428740.049075645.400.047909677.070.0445230.050873649.210.049621682.230.0462100.052619652.360.051282686.690.0478480.054378655.800.052951691.460.0494940.056125659.080.054607696.070.0511270.057884662.150.056270700.470.0527680.059641665.100.057930704.760.0544060.061389667.840.059578708.840.0560340.063146670.440.061232712.770.0576680.064903672.810.062884716.470.0593010.0666610.0645330.0609320.068439677.180.066198723.530.0625810.070247679.230.067889726.940.0642550.072045681.040.069568730.100.0659170.073863682.750.071263733.180.0675970.075641684.300.072917736.060.0692370.077499685.670.074643738.810.0709490.079317687.020.076328741.510.0726210.081145688.040.078021743.880.0743020.082984689.040.079720746.220.0759890.084843689.780.081435748.300.0776940.086721690.550.083165750.430.0794130.088651691.010.084939752.270.081178T/CIC434—2025表B.2卡瓦材料（42CrMo）塑性参数数据处理示例87300.008887867.190.008847874.900.0044730.009200881.890.009158890.000.0047080.009527894.490.009481903.010.0049660.009880907.090.009832916.050.0052510.012957936.480.012874948.610.0081310.015347942.780.015230957.250.0104440.017169953.280.017023969.650.0121750.018394955.380.018227972.950.0133620.019085957.480.018905975.750.0140260.019886961.680.019691980.800.0147870.020500964.830.020293984.610.0153700.020969965.880.020752986.130.0158210.021342967.980.021117988.640.0161740.021722969.030.021490990.080.0165390.022003970.080.021765991.430.0168080.022334971.130.022089992.820.0171240.022610973.230.022358995.230.0173820.022950974.280.022690996.640.0177070.023180976.380.022916999.010.0179210.023457977.430.0231861000.360.0181840.023781979.530.0235031002.820.0184890.024072980.580.0237871004.180.0187660.024622987.930.0243231012.250.0192620.025654998.430.0253311024.040.0202100.0271141005.770.026