井口防噴閥有限元分析與結構優(yōu)化

王 茹,甄萬林 (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 (長江大學機械工程學院,湖北荊州434023)

防噴閥在石油鉆探和開采中扮演著及其重要的角色,其下法蘭端面通過螺栓及密封鋼圈安裝在井口四通上,當地層壓力異常升高、出現井噴跡象或發(fā)生井噴時,無論井內是否有油管,都可以通過手輪或液壓驅動合攏閘板來實現封井并防止井噴。由于防噴閥閥體處在高壓工況下,因此,無論是新閥體的開發(fā)設計,還是老產品的結構改進,都需要對閥體的應力分布規(guī)律進行分析。筆者通過三維造型軟件PRO/E進行實體建模,并利用PRO/E與有限元分析軟件ANSYS的通道,將模型導入ANSYS進行強度分析并提出優(yōu)化方案。

1 實體模型的建立

1.1 防噴閥的結構及工作原理

防噴閥自上而下由上部連接法蘭、本體、下端連接法蘭、側門及密封組件、絲杠、閘板軸 (螺母)傳動組件,閘板及密封膠芯等構成,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)過程中,如果出現壓力異常高的情況,可以通過液壓或手輪推動閘板合攏,從而實現全封或半封關井以確保安全。

圖1 雙閘板防噴閥的結構示意圖

1.2 PRO/E建模

由于ANSYS中沒有單位制,因此,在PRO/E建模時事先要進行單位的設置,這樣能確保導出的尺寸和實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。結合防噴閥的工作特性,在不影響強度分析結果的情況下,對建模過程可進行一定程度的簡化,即只取其中的閥體和上下端的法蘭進行分析。建模過程中使用了拉伸、旋轉、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進行調用。

2 閥體的有限元分析

2.1 建模

運行ANSYS后,直接在實用菜單欄點擊文件夾選項中的輸入文件,找到該IGES文件,模型會自動導入ANSYS,結果如圖2(b)所示。通過比較導入前、后的模型可知,模型沒有發(fā)生扭曲、多面和丟面等現象,確保了信息的完整性[2]。

圖2 防噴閥導入前后三維實體模型

2.2 設置單元類型及材料屬性

根據閥體的結構特點、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[3]可知其相關數據:楊氏彈性模量E=209GPa;泊松比μ=0.29;屈服點σs=205MPa;抗拉強度σb=520MPa,工作壓力為 35MPa。

2.3 劃分網格

由于閥體結構為前后左右對稱,為了提高計算效率,依據模型簡化理論,通過工作平面沿對稱面將閥體剖開,按其約束和受力特征取其1/2進行分析計算。網格劃分尺寸應該控制在小于或等于閥體的最小壁厚值,進行尺寸大小控制后,采用自由體網格劃分的方法進行劃分,并在局部進行網格細化[4]。共劃分單元數 13727個,節(jié)點數23008個,如圖3所示。

圖3 主閥體劃分網格模型

2.4 施加約束、載荷并求解

在模型的對稱面上施加對稱邊界約束,在上、下法蘭端面和左、右側面上施加全約束,根據閥體載荷為均勻內壓,在閥體內表面施加35MPa的工作壓力,并選擇PCG迭代求解器,由計算機自動完成求解過程。

2.5 查看結果

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

圖4 后處理結果查看圖

從圖4可知,閥體的最大應力為121MPa,發(fā)生在上、下法蘭端面接口連接處,因此在加工制造時應盡量避免產生加工缺陷。同時,2閘板與中心圓柱面的相貫處應力相對較大,也是加工制造時重點關注的對象。

3 結構優(yōu)化

為了降低防噴閥的失效機率,提高其運行可靠性,應用ANSYS自帶的優(yōu)化模塊對其結構進行優(yōu)化,步驟如下[5]:①選擇設計變量。將主閥體的外形尺寸和內部通徑及雙閘板部分尺寸作為設計變量。②選擇狀態(tài)變量。將主閥體受到的最大應力作為狀態(tài)變量。③選擇目標函數。將主閥體的體積作為目標函數,求其最小值。④進行優(yōu)化分析,檢驗合理性。優(yōu)化結果如表1所示,從表1可看出,通過優(yōu)化調整了主閥體各部分重要尺寸,達到了減小最大應力的目的。

表1 優(yōu)化前、后模型屬性對比

4 結 語

通過PRO/E和ANYSY技術的有效結合,對雙閘板防噴閥進行了三維實體建模和有限元分析,簡化了設計過程,縮短了開發(fā)周期,也提高了設計的可靠性,既得到高質量的產品,又降低了生產成本[6],為類似的殼類零件的結構設計與尺寸優(yōu)化提供了依據。

[1]鐘日銘.PRO/ENGINEER WILDFIRE完全實例解析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

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[3]成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.

[4]李軍業(yè).彈性楔式閘閥閥體應力及位移分析 [J].閥門,2000,(1):4～6.

[5]邢靜忠,王永崗.ANSYS7.0分析實例與工程應用 [M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[6]余龍,俞樹榮,李淑欣.虛擬現實技術在閥門設計中的應用[J].閥門,2008,(1):10～14.