井口防噴閥有限元分析與構(gòu)造優(yōu)化

1、井口防噴閥有限元分析與構(gòu)造優(yōu)化 采用PRO/E與ANSYS的無縫連接技術(shù),對某型號的雙閘板防噴閥閥體開展了三維實體建模和有限元分析,獲得了閥體的應(yīng)力分布規(guī)律,提出了優(yōu)化設(shè)計方案。 1、概述 井口防噴閥的下法蘭端面通過螺栓及密封鋼圈安裝在石油鉆采井口四通上,當(dāng)?shù)貙訅毫Ξ惓Ｉ?出現(xiàn)井噴跡象或井噴時,無論井內(nèi)是否有油管,即井內(nèi)空井或環(huán)形空間時,都可以通過手輪或液壓驅(qū)動合攏閘板實現(xiàn)封井,并防止井噴。由于防噴閥閥體處在高壓工況下,因此,在新閥體的開發(fā)設(shè)計和老產(chǎn)品的構(gòu)造改良中,都離不開對閥體的應(yīng)力分布規(guī)律的掌握。本文結(jié)合三維造型軟件PRO /E開展實體的建模,并利用PRO /E與有限元分析軟件ANSYS

2、的通道,將其模型導(dǎo)入ANSYS開展強度分析并提出優(yōu)化方案。 2、實體模型的建立 2.1、防噴閥的構(gòu)造及工作原理 防噴閥(圖1)由上部連接法蘭、閥體、下端連接法蘭、側(cè)門及密封組件、絲杠、閘板軸(螺母)傳動組件、閘板及密封膠芯等組成。在閥體中間部分,裝有兩層密封閘板,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(xiàn)壓力異常高的情況,需要關(guān)井以確保安全。此時,通過液壓或手輪推動閘板合攏,實現(xiàn)全封或半封。 1.下法蘭2.側(cè)門3.閥體4.上法蘭5.半封閘板6、12.膠芯7.閘板軸8.液壓缸9.軸承10.絲桿11.全封閘板13.密封槽 圖

3、1雙閘板防噴閥的構(gòu)造 2.2、PRO/E建模1 在PRO/E建模中先開展單位設(shè)置,一般采用國際單位制以確保導(dǎo)出的尺寸和實體的基本物理量屬于同一單位制,防止了煩瑣的單位量綱換算。結(jié)合防噴閥的工作特性,在不影響強度分析結(jié)果準確性的情況下,建模過程中,開展一定程度的簡化,只取其中的閥體和上下端的法蘭開展分析。建模過程中使用拉伸、旋轉(zhuǎn)、創(chuàng)立參照平面和鏡像等工具(圖2a) ,并保存為IGES格式的文件,便于AN2SYS開展調(diào)用。 4、構(gòu)造優(yōu)化 為了降低防噴閥的失效機率,提高其運行可靠性,應(yīng)用ANSYS中的優(yōu)化模塊對其構(gòu)造開展優(yōu)化分析,調(diào)整主閥體各部分重要尺寸,到達減小最大應(yīng)力、減輕質(zhì)量和節(jié)省材料的目的。 選擇設(shè)計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)計變量。 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。 選擇目標函數(shù)將主閥體的體積作為目標函數(shù),求其最小值。 開展優(yōu)化分析檢驗合理性。 優(yōu)化結(jié)果如下表1。 表1優(yōu)化前、后模型屬性比照 5、結(jié)語 通過CAD 和CA E技術(shù)的有效結(jié)合, 成功地對雙閘板防噴閥開展了三維實