封隔器的虚拟样机设计与仿真分析*

潘旭磊，赵金鹏，任国涛，赵 悟

(长安大学工程机械学院，陕西西安710064)

1 引言

封隔器广泛应用于油气勘探与开发的各个过程。目前，随着钻采工艺的发展和油气开采工况的日趋复杂化，对封隔器的工作性能提出了更高的要求［1-2］。利用CAD/CAE集成技术进行封隔器设计和开发不仅可以缩短新产品的研发周期而且能最大限度的节约人力物力，因而成为目前封隔器设计的主流方法。然而国内目前对于封隔器胶筒组合的有限元分析主要停留在二维模型上，笔者一改以往使用二维有限元模型对胶筒组合进行有限元分析的方法，通过数据接口利用三维动态模型对封隔器进行结构设计、机构仿真及对封隔器密封关键部件——胶筒组合进行有限元分析，并总结出了相关规律，对于使用CAD/CAE集成手段设计和研发封隔器具有指导意义。

2 封隔器虚拟样机的模型构建

Pro/E软件是基于特征建模的参数化集成系统，其具有的全相关性、尺寸驱动性等优点，为设计封隔器虚拟样机提供了便利。首先根据设计参数的要求构建封隔器各零件的三维实体模型，然后依据各零件之间实际约束关系，在Pro/E组件环境中按其自由度加以约束，基于Pro/E单一数据库、全相关性的特点，在装配的过程中发现如零件尺寸、形状、位置等方面出现问题的时候可及时对模型进行修改直至满足装配要求，完成装配的封隔器虚拟样机如图1所示。

图1 封隔器虚拟样机装配图

3 封隔器的机构运动学仿真

应用Pro/E机构仿真模块，通过定义驱动，运行机构，干涉检查，创建运动包络和创建轨迹曲线等方法的结合，对封隔器的轨道换向、上提和下放管柱、卡瓦的撑开和收回等动作进行机构运动学的合理性检查，如图2、3所示。在此过程中对各种运动参数进行测量并不断优化，尽可能使各项参数合理化。

图2 封隔器坐封

图3 封隔器解封

4 封隔器关键件——胶筒组合的有限元分析

封隔器胶筒是封隔器的关键部件，胶筒的密封性能关乎到封隔器的使用效果，封隔器的密封性能主要体现为胶筒的径向膨胀量，和胶筒与其他零件之间的接触应力。在Pro/E中构建封隔器胶筒组合三维实体模型，通过数据转换接口将该模型导入ANSYS软件，然后构建胶筒组合的三维有限元模型并进行分析，胶筒组合模型各部分的几何参数如表1所列，图4为胶筒组合的三维有限元模型。

表1 胶筒组合模型的几何参数

图4 胶筒组合的三维有限元模型

在ANSYS材料模型库中Mooney-Rivlin模型是一个比较经典的模型，几乎可以模拟所有橡胶材料的力学行为［3］，本文选用Mooney2Rivlin模型，其材料常数如表2所列。

表2 封隔器胶筒材料常数

5 模型的加载和求解

压缩胶筒时中心管可看作静止，因而固定中心管下端面，套管被水泥胶结，所以固定套管下端面采用从上往下加载的方法，固定下支撑环的下端面。在上支撑环的上端面施加向下的位移载荷，在模型各部分之间的接触面上设置接触对并设定摩擦系数，然后设置时间步长等相关参数后对模型进行求解，控制摩擦系数为0.5，压缩距为55mm时，通过ANSYS后处理模块对模型的应变和各接触面上的接触应力进行检查如图5～7所示。

由图5可以知道，胶筒组合径向的最大应变值为-11.431mm，可见胶筒膨胀后能与套管内壁完全紧贴，说明该材料模型的胶筒组合在受到上部55mm的压缩距时，达到了封隔器密封所需的膨胀量，分析表明最大变形量出现在上胶筒的上边缘区域，说明在该载荷下上胶筒上边缘处即加载端明显出现了突出现象，为了改善该情况，建议在设计胶筒组合时考虑加装防突装置。

图5 胶筒组合的径向应变云图(俯视图)

通过调节应力云图颜色标尺的示值范围，结合图6、7可以看出，最大接触应力出现在上胶筒上端面与隔环相接触的面上，其分布规律呈现出从圆心向四周依次递增的趋势;胶筒与隔环接触面上的接触应力沿高度方向从上到下逐层递减;同时，在中心管与胶筒的接触面上，接触应力同样沿高度方向从上到下呈递减趋势;在胶筒和套管的接触面上，接触应力仍沿高度方向从上到下呈递减趋势，且递减趋势极为明显。结合胶筒变形情况表明，最大接触应力发生在胶筒发生突变的边缘区域，而上、中、下三个胶筒与套管壁的接触应力沿高度方向差别巨大，说明胶筒组合的密封效果与其受载状态关系密切，在上述载荷条件下，上胶筒即加载端胶筒与套管内壁接合最为紧密，密封效果优于其它胶筒。

图6 各接触面上接触应力分布云图

图7 各接触面上接触应力分布云图

为得到摩擦系数和压缩距对胶筒组合密封性能的影响规律，本文分析并统计了压缩距为45mm不同摩擦系数，和摩擦系数为0.5不同压缩距，两组条件下胶筒组合的最大接触应力变化情况。如图8、9，分析显示，在压缩距保持不变摩擦系数小于0.5的情况下，胶筒组合上的最大接触应力随摩擦系数的增长而缓慢增长，当摩擦系数大于0.5时，最大接触应力随摩擦系数的增长迅速增长;随着压缩距的加大，胶筒组合上的最大接触应力不断增长，最大接触应力在压缩距大于45mm的区段上陡然上升。以上现象充分说明了封隔器密封胶筒材料的非线性特性，因此，为了进一步验证封隔器胶筒组合的密封性能，应考虑虚拟设计与试验分析结合的方法。

图8 最大接触应力与摩擦系数的关系

图9 最大接触应力与压缩 距离的关系

6 总结

本文以Y211-115封隔器为例，采用CAD/CAE集成技术完成了封隔器虚拟样机的设计与仿真分析的整个过程，展示了封隔器的结构构成、机构运动，和密封关键件——胶筒组合在设定载荷下的应变分布规律和接触应力分布规律，分析并统计了不同摩擦系数和不同压缩距下，胶筒组合受到的最大接触应力的变化规律，为运用CAD/CAE集成技术进行封隔器及其密封胶筒的研究和开发提供了理论参考和方法指导。

［1］ 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，1983.

［2］ 刘永辉.封隔器胶筒性能有限元分析［D］.南充:西南石油大学，2005.

［3］ 黄建龙.基于Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型的超弹性橡胶材料有限元分析［J］.橡胶工业，2008，55(8):467-470.

［4］ ANSYS动力学分析指南［Z］.ANSYS公司，2000.