井口防噴閥有限元分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 茹,甄萬(wàn)林 (中石油吐哈油田分公司鄯善采油廠,新疆鄯善838202)

徐桃園,胡 霞 (長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北荊州434023)

防噴閥在石油鉆探和開(kāi)采中扮演著及其重要的角色,其下法蘭端面通過(guò)螺栓及密封鋼圈安裝在井口四通上,當(dāng)?shù)貙訅毫Ξ惓Ｉ摺⒊霈F(xiàn)井噴跡象或發(fā)生井噴時(shí),無(wú)論井內(nèi)是否有油管,都可以通過(guò)手輪或液壓驅(qū)動(dòng)合攏閘板來(lái)實(shí)現(xiàn)封井并防止井噴。由于防噴閥閥體處在高壓工況下,因此,無(wú)論是新閥體的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),還是老產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)改進(jìn),都需要對(duì)閥體的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析。筆者通過(guò)三維造型軟件PRO/E進(jìn)行實(shí)體建模,并利用PRO/E與有限元分析軟件ANSYS的通道,將模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行強(qiáng)度分析并提出優(yōu)化方案。

1 實(shí)體模型的建立

1.1 防噴閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

防噴閥自上而下由上部連接法蘭、本體、下端連接法蘭、側(cè)門及密封組件、絲杠、閘板軸 (螺母)傳動(dòng)組件,閘板及密封膠芯等構(gòu)成,如圖1所示。在本體部分,裝有2層密封閘板,上層為半封 (封閉油管與套管的環(huán)型空間)閘板密封膠芯總成,下層為全封 (封閉空井)閘板密封膠芯總成。作業(yè)過(guò)程中,如果出現(xiàn)壓力異常高的情況,可以通過(guò)液壓或手輪推動(dòng)閘板合攏,從而實(shí)現(xiàn)全封或半封關(guān)井以確保安全。

圖1 雙閘板防噴閥的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 PRO/E建模

由于ANSYS中沒(méi)有單位制,因此,在PRO/E建模時(shí)事先要進(jìn)行單位的設(shè)置,這樣能確保導(dǎo)出的尺寸和實(shí)體的基本物理量屬于同一單位制,從而避免煩瑣的單位量綱換算。結(jié)合防噴閥的工作特性,在不影響強(qiáng)度分析結(jié)果的情況下,對(duì)建模過(guò)程可進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化,即只取其中的閥體和上下端的法蘭進(jìn)行分析。建模過(guò)程中使用了拉伸、旋轉(zhuǎn)、創(chuàng)建參照平面和鏡像等工具,完成后的模型如圖2(a)所示,并將其保存為IGES格式的文件,便于ANSYS進(jìn)行調(diào)用。

2 閥體的有限元分析

2.1 建模

運(yùn)行ANSYS后,直接在實(shí)用菜單欄點(diǎn)擊文件夾選項(xiàng)中的輸入文件,找到該IGES文件,模型會(huì)自動(dòng)導(dǎo)入ANSYS,結(jié)果如圖2(b)所示。通過(guò)比較導(dǎo)入前、后的模型可知,模型沒(méi)有發(fā)生扭曲、多面和丟面等現(xiàn)象,確保了信息的完整性[2]。

圖2 防噴閥導(dǎo)入前后三維實(shí)體模型

2.2 設(shè)置單元類型及材料屬性

根據(jù)閥體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、載荷類型以及分析的需要,單元類型選擇為SOLID185,該閥體采用耐腐蝕和耐高溫材料0Cr18Ni9,查手冊(cè)[3]可知其相關(guān)數(shù)據(jù):楊氏彈性模量E=209GPa;泊松比μ=0.29;屈服點(diǎn)σs=205MPa;抗拉強(qiáng)度σb=520MPa,工作壓力為 35MPa。

2.3 劃分網(wǎng)格

由于閥體結(jié)構(gòu)為前后左右對(duì)稱,為了提高計(jì)算效率,依據(jù)模型簡(jiǎn)化理論,通過(guò)工作平面沿對(duì)稱面將閥體剖開(kāi),按其約束和受力特征取其1/2進(jìn)行分析計(jì)算。網(wǎng)格劃分尺寸應(yīng)該控制在小于或等于閥體的最小壁厚值,進(jìn)行尺寸大小控制后,采用自由體網(wǎng)格劃分的方法進(jìn)行劃分,并在局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化[4]。共劃分單元數(shù) 13727個(gè),節(jié)點(diǎn)數(shù)23008個(gè),如圖3所示。

圖3 主閥體劃分網(wǎng)格模型

2.4 施加約束、載荷并求解

在模型的對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界約束,在上、下法蘭端面和左、右側(cè)面上施加全約束,根據(jù)閥體載荷為均勻內(nèi)壓,在閥體內(nèi)表面施加35MPa的工作壓力,并選擇PCG迭代求解器,由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成求解過(guò)程。

2.5 查看結(jié)果

由于該實(shí)例屬于靜態(tài)結(jié)果分析范疇,所以選用通用后處理器進(jìn)行分析結(jié)果的查看。結(jié)果如圖4所示。

圖4 后處理結(jié)果查看圖

從圖4可知,閥體的最大應(yīng)力為121MPa,發(fā)生在上、下法蘭端面接口連接處,因此在加工制造時(shí)應(yīng)盡量避免產(chǎn)生加工缺陷。同時(shí),2閘板與中心圓柱面的相貫處應(yīng)力相對(duì)較大,也是加工制造時(shí)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了降低防噴閥的失效機(jī)率,提高其運(yùn)行可靠性,應(yīng)用ANSYS自帶的優(yōu)化模塊對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,步驟如下[5]:①選擇設(shè)計(jì)變量。將主閥體的外形尺寸和內(nèi)部通徑及雙閘板部分尺寸作為設(shè)計(jì)變量。②選擇狀態(tài)變量。將主閥體受到的最大應(yīng)力作為狀態(tài)變量。③選擇目標(biāo)函數(shù)。將主閥體的體積作為目標(biāo)函數(shù),求其最小值。④進(jìn)行優(yōu)化分析,檢驗(yàn)合理性。優(yōu)化結(jié)果如表1所示,從表1可看出,通過(guò)優(yōu)化調(diào)整了主閥體各部分重要尺寸,達(dá)到了減小最大應(yīng)力的目的。

表1 優(yōu)化前、后模型屬性對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)PRO/E和ANYSY技術(shù)的有效結(jié)合,對(duì)雙閘板防噴閥進(jìn)行了三維實(shí)體建模和有限元分析,簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程,縮短了開(kāi)發(fā)周期,也提高了設(shè)計(jì)的可靠性,既得到高質(zhì)量的產(chǎn)品,又降低了生產(chǎn)成本[6],為類似的殼類零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與尺寸優(yōu)化提供了依據(jù)。

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