宋艷麗

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，武漢430065）

基于有限元的封隔器卡瓦受力強(qiáng)度分析研究

宋艷麗

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，武漢430065）

本文主要通過有限元分析軟件solidworks.對(duì)封隔器卡瓦的強(qiáng)度進(jìn)行分析，計(jì)算得出應(yīng)力分布云圖，從而為封隔器卡瓦設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

卡瓦 封隔器 應(yīng)力

引言

封隔器卡瓦的強(qiáng)度直接影響著卡瓦使用壽命。影響卡瓦強(qiáng)度的因素不是單方面的，如卡瓦所受強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)、卡瓦齒型、使用的材料等。所以，對(duì)封隔器卡瓦實(shí)施有限元應(yīng)力分析，研究它與錐體和套管之間應(yīng)力的分布云圖，有利于跟給封隔器卡瓦的設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化提供一些指導(dǎo)性質(zhì)的材料。

1 卡瓦系統(tǒng)有限元分析過程

卡瓦分布圓周角為30°，選擇錐體和套管的角度為30°，選用1/12的錐體和套管進(jìn)行分析，建立分析模型如圖1所示。

圖1 SOLIDWORKS裝配模型

定義卡瓦和錐體用同一種材料35CrMo，彈性模量為2.13×105MPa，泊松比0.286，屈服強(qiáng)度834MPa，抗拉強(qiáng)度981MPa。選擇套管材料的鋼級(jí)為N80，其彈性模量為2.085×105MPa，泊松0.30，屈服強(qiáng)度552MPa，抗拉強(qiáng)度685MPa。

在Mesh Control功能中，把所劃分的四邊形區(qū)域變成Hex（六面體）的Structured（結(jié)構(gòu)化）網(wǎng)格[1]；不可以變成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的非四邊形，變成掃略網(wǎng)格。對(duì)這個(gè)模型執(zhí)行撒種子操作，每一顆種子都落在相應(yīng)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)上。種子越多，表示網(wǎng)格生成將會(huì)越密集。對(duì)整體的模型給予一個(gè)全局種子大小，設(shè)置為1.5。然后，再單獨(dú)對(duì)卡瓦牙齒上的四邊形區(qū)域的邊上給定相應(yīng)種子的數(shù)量。在種子撒完后，點(diǎn)擊Mesh Part生成網(wǎng)格[2]。

卡瓦受到的是錐體的正壓力及摩擦力，以及受到套管的正壓力及摩擦力，底端不受任何力，在軸向上的固定完全依靠套管給的摩擦力。所以，底端為自由端。在底端創(chuàng)建一個(gè)只允許在水平移動(dòng)的邊界條件。然后，在0.1MPa下，讓卡瓦與套管壁接觸。等有了靜力平衡后，再撤去底端的約束，從而解決出現(xiàn)數(shù)值奇異的問題，又不影響真實(shí)的靜力平衡模擬。如圖2所示，它為施加邊界條件和載荷模型。

圖2 Load模塊下的卡瓦系統(tǒng)

2 云圖分析結(jié)果

如圖3所示，最大應(yīng)力所處的位置最終查詢結(jié)果為最大應(yīng)力出現(xiàn)在從上到下數(shù)起的第二顆牙齒上，其應(yīng)力大小為424.6MPa。由于卡瓦材料為35CrMo，其屈服強(qiáng)度為834MPa，所以最大應(yīng)力的地方的應(yīng)力值還遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度，故卡瓦在這樣的工作條件下是安全的。同時(shí)，查出套管上的最大應(yīng)力值為362.2MPa，而套管材料為N80，屈服強(qiáng)度為552MPa，所以套管也是安全的。

圖3 卡瓦系統(tǒng)應(yīng)力分布云圖

3 卡瓦牙齒上的最大應(yīng)力分布規(guī)律

將卡瓦的七個(gè)齒分別編上編號(hào)，從離卡瓦內(nèi)錐面最近的第一個(gè)齒往下數(shù)起，它們的編號(hào)依次為1號(hào)齒、2號(hào)齒、3號(hào)齒、4號(hào)齒、5號(hào)齒、6號(hào)齒、7號(hào)齒，并用Probe Value的功能把這七個(gè)齒上的最大應(yīng)力分別查出來[3]，如表1所示。

表1 七個(gè)齒上的最大應(yīng)力

由表1可以看出，1號(hào)、2號(hào)齒的最大應(yīng)力相差不大，且隨著齒編號(hào)的增加，齒上的最大應(yīng)力急劇下降。3號(hào)齒上的最大應(yīng)力與2齒上的最大應(yīng)力相比發(fā)現(xiàn)，3號(hào)齒比二號(hào)齒的最大應(yīng)力減少了91MPa，且4號(hào)齒還在以這種趨勢(shì)急劇下降。可見，這與對(duì)卡瓦的理論分析存在很大區(qū)別。理論分析中，假設(shè)卡瓦上的每一齒所受的載荷大小一樣，所以可以得出在卡瓦的錨定過程中1號(hào)齒和2號(hào)齒起主要的錨定作用，也主要是最上面的兩齒承受主要的載荷，即使卡瓦牙齒的失效，也一般出現(xiàn)在最上面的兩齒上。

4 結(jié)論

理論計(jì)算和有限元分析有較大的差別。據(jù)有限元分析結(jié)果可以看出，卡瓦牙齒上的應(yīng)力在軸向分布上非常不均勻。由分析結(jié)果可得，主要承載的牙齒是1號(hào)齒和2號(hào)齒，6、7號(hào)齒幾乎不受載荷，經(jīng)常發(fā)生失效的地方集中在前兩個(gè)齒。所以，設(shè)計(jì)時(shí)可以通過一定的工藝增加前兩個(gè)齒的強(qiáng)度。

[1]季公明，周先軍，平利.封隔器膠筒接觸應(yīng)力的數(shù)值模擬分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2002，31（5）：46-47.

[2]周先軍，平利，季公明.封隔器膠筒接觸應(yīng)力分布有限元計(jì)算[J].鉆采工藝，2002，25（4）：51-52，57.

[3]谷開昭，王禾丁，胡風(fēng)濤，郭海萱.影響Y441B型雙向錨定封隔器解封力的因素及計(jì)算方法[J].石油鉆采工藝，1997，19（1）：83-87.

Analysis on the Strength of the Finite Element Packer Force

SONG Yanli
(Wuhan Technical College of Communication, Wuhan 430065)

This paper mainly through the Finite Element Analysis Software Solidworks to analyze the packer's strength, calculated the stress distribution, so as to provide the basis of packer design.

kava, slip packer, stress

湖北省教育廳科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：B2016562）。