基于CAD／CAE集成方法的封隔器的设计

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1、第22卷第2期聊城大学学报(自然科学版)Vo1．22NO．22009年6月JournalofLiaoehengUniversity(Nat．Sci．)Jun．2009基于CAD／CAE集成方法的封隔器的设计赵海晖D(中国石油大学(华东)机电工程学院，山东东营257061)摘要封隔器是油田实现精细开发的重要工具，本文通过Y341—148型封隔器虚拟模型的构建和仿真分析，构建了封隔器仿真分析平台，探索了实现封隔器可视化分析、虚拟样机分析和力学性能仿真分析的方法，对Y341～148型封隔器和类似封隔器的设计与分析有借鉴意义．关键词封隔器，虚拟样机，仿真，建模中图分类号TE93

2、1文献标识码A文章编号1672—6634(2009)02—0100—04伴随石油开采技术的不断发展，封隔器的下人深度不断增加，工作环境已经深人到高温、高压和复杂的深部地层，因而对封隔器综合性能提出了更高的要求．因此，采用虚拟设计技术构建封隔器虚拟样机并实现其工作行为的仿真及力学特性分析，不仅可以验证机构的合理性，而且为设计提供了可供借鉴的失效、破坏分析数据，减少了实物试验的数量，节约了实支成本，因而成为井下作业工具的新的研究方向。．本文以Y341—148型封隔器为研究对象，建立了封隔器的虚拟样机，进行了运动仿真和有限元分析，实现CAD／CAE有机集成，为新型封隔器的设计

3、研发打下了基础．1国内外研究现状国外封隔器研究正朝着高性能、多用途、适应多种工况、寿命长、设计简单、大通径、密封材料具有更好弹性与回收性的方向发展．例如研发成功可取式下放短节，可以代替永久式封隔器下在密封腔容座的底部，使密封腔容座完井具有更大的灵活性和更好的控制性，完成了油气井完井工艺的重大改革；利用先进的化学和机械切割技术发展了可移动式封隔器，以代替可取式封隔器和永久式封隔器．国内研究的重点主要集中在封隔器系统受力分析、新产品开发、结构改进、密封胶筒元件的井下工作性能分析、胶筒及封隔器室内试验研究等几个方面，取得了一定的成绩．例如江汉油田采油工艺研究所、胜利油田采油工

4、艺研究院在封隔器的新产品设计、制造及其应用方面积累了丰富的经验，在国内占据着非常重要的地位．但是，相关研究成果主要集中在对具体产品的具体性能改造上，没有充分与现代设计方法相结合，从而在虚拟样机研究方面相对落后，缺乏对封隔器的系统建模和综合分析．2存在的主要问题当前，在研发封隔器的过程中主要存在以下问题：(1)物理样机仍然是试验的主要依据，需要进行反复试验尤其是破坏性实验，实验结果反应滞后，且研制成本较高．(2)未能按照现代设计方法的要求，将CAD／CAE有机集成，设计手段相对落后，设计周期较长．(3)传统的静力学计算方法仍然是主要的分析手段，导致了设计结果精度低，与封隔

5、器井下工作时的实际受力情况相去甚远．仍以单个零部件为研究对象，参考国外结构进行仿制为主，因此，运用现代设计手段构建封隔器虚拟样机从而形成可视化研究平台，收稿日期：2008—11-12通讯作者：赵海辉。E—mail：haihui200601@yahoo．corn．c12．第2期赵海辉等：基于CAD／CAE集成方法的封隔器的设计1O1是目前国内封隔器研究工作者的主要课题．3Y341—148封隔器的结构简介3．1结构Y341—148型3-5封隔器主要结构包括密封、坐封以及解封．由上接头、压帽、胶筒、缸套、活塞、外套、内中心管、下接头、”O”型密封圈等组成，其结构如图1所示．1

6、．上接头；2．销钉；3．上外套；4．锁黄座；5．锁扣指；6．锁指套；7．锁环；8．卡爪套；9．内中心管；10．外中心管；l1．上胶筒座；12．胶筒；13．隔环；14．下胶筒座；15．上活塞套；16．上活塞；17．下中心管；18．下活塞套；19．下活塞；20．下接头；21．劳钉，22．剪钉座}23．防撞环图1Y341—148型封隔器结构图3．2工作原理坐封与解封是工作过程的两个重要环节．坐封：从油管内加液压，液压经下接头的小孔作用于活塞上．活塞推动锁套剪断销钉使密封环上移压缩胶筒，使胶筒直径变大封隔油套环形空间．放掉油管压力后，因锁套和卡瓦上的倒马牙扣锁在一起，因此胶筒不

7、能弹回．L4解封：上提油管，上接头带动内中心管、下接头上行而外中心管、锁套和卡瓦、卡瓦座相对不动．解封套上行且内锥面使卡瓦内收，胶筒和锁套下行，胶筒弹回，实现解封．图3封隔器三维模型的装配4Y341—148型封隔器的参数化三维模型建立Pro／E是基于特征建模的CAD／CAM／CAE参数化集成系统，具有完全关联性、尺寸驱动性等显著优点，基于Pro／E的虚拟样机技术并以此为平台完成设计、制造以及仿真的研究，可满足现代设计方法的要求，实现封隔器的敏捷设计与制造，提高设计质量和缩短设计周期，为此，我们选择该软件作为参数化建模软件．封隔器的零件多以