《封隔器有限元仿真分析規(guī)程 第1部分 密封機構(gòu)》 征求意見稿

1T/CICXXXXX—XXXX封隔器有限元仿真分析規(guī)程第1部分：密封機構(gòu)本文件規(guī)定了壓縮式封隔器密封機構(gòu)坐封過程有限元仿真分析類型選擇及計算流程、有限元建模規(guī)則、有限元模型檢查、模型分析與調(diào)試、結(jié)果評價、結(jié)果輸出和報告編寫等要求。本文件適用于封隔器研發(fā)設(shè)計、加工生產(chǎn)、測試及現(xiàn)場應(yīng)用階段的有限元仿真分析，類似產(chǎn)品可參考。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB3100-1993國際單位制及其應(yīng)用GB/T3101有關(guān)量、單位和符號的一般原則GB/T26099.1機械產(chǎn)品三維建模通用規(guī)則HG/T2701-2016壓縮式封隔器膠筒3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1壓縮式封隔器compressionpacker靠軸向力壓縮封隔件，使封隔件擴徑來實現(xiàn)密封的封隔器。3.2坐封力packersettingforce壓縮式封隔器坐封時所需的軸向壓縮力。3.3壓縮距compressiondistance封隔器坐封時其軸向被壓縮的距離。3.4工作壓差operatingpressuredifferential封隔器坐封后，膠筒兩端所承受的壓力之差。2T/CICXXXXX—XXXX3.5軸對稱模型asymmetricmodel幾何形狀、約束條件及作用的載荷都對稱于某一固定軸的模型。3.6超彈性材料hyperelasticmaterial一種理想彈性材料的本構(gòu)模型，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系通過應(yīng)變能密度函數(shù)表述。3.7場變量fieldvariable描述隨空間位置變化的物理量。3.8歷史變量historicalvariable描述隨時間變化的物理量。4計算類型選擇及計算流程4.1算法選擇封隔器啟動坐封至坐封完成，膠筒與套管接觸過程的有限元仿真分析宜采用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，載荷分析步中應(yīng)考慮幾何非線性。4.2材料參數(shù)獲取封隔器膠筒的橡膠材料參數(shù)宜通過開展橡膠材料力學(xué)性能試驗獲取，并按照5.5.3進行超彈性材料本構(gòu)模型擬合。支撐環(huán)的金屬材料參數(shù)宜通過開展單軸拉伸試驗獲取材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并按照5.5.4進行數(shù)據(jù)處理。4.3有限元仿真分析流程封隔器坐封過程有限元仿真分析，首先需要根據(jù)封隔器設(shè)計與優(yōu)化目標(biāo)、計算周期和計算資源等制定有限元分析方案，主要流程包括橡膠超彈性本構(gòu)模型擬合、有限元建模、提交計算、結(jié)果輸出、結(jié)果評估及報告編寫等六部分。5有限元建模規(guī)則5.1坐標(biāo)系坐標(biāo)系由右手定則來確定，二維軸對稱模型宜選用笛卡爾直角坐標(biāo)系。若采用三維實體模型，可以采用圓柱坐標(biāo)系（r，θ,z），對于軸對稱模型，通常以z軸為對稱軸，所有應(yīng)力、應(yīng)變和位移都與θ方向無關(guān)，只是r和z的函數(shù)。3T/CICXXXXX—XXXX5.2單位制單位制的選擇應(yīng)按照GB3100-1993和GB/T3101的規(guī)定執(zhí)行。所有的輸入數(shù)據(jù)應(yīng)指定一致性的單位制，推薦參考表A.1。5.3幾何模型構(gòu)建5.3.1總體要求a)封隔器結(jié)構(gòu)與幾何模型、橡膠材料和規(guī)格，應(yīng)符合HG/T2701-2016的規(guī)定；b)封隔器密封結(jié)構(gòu)建模應(yīng)包括密封膠筒、中心管、橡膠支撐環(huán)、上下可移動塊及套管等關(guān)鍵部件；c)封隔器結(jié)構(gòu)與幾何模型，可根據(jù)實際選型、試驗驗證或生產(chǎn)需求等采用單膠筒、多膠筒以及不同支撐環(huán)結(jié)構(gòu)。5.3.2模型構(gòu)建及簡化要求封隔器幾何模型零部件建模、裝配建模，應(yīng)按照GB/T26099.1的規(guī)定，具體滿足以下要求或條件：a)封隔器密封膠筒、中心管、橡膠支撐環(huán)、上下可移動塊及套管均為360°旋轉(zhuǎn)體，如無特殊需求，有限元模型可采用軸對稱模型，也可建立三維模型。b)模擬封隔器的坐封過程，封隔器中心管、上下可移動塊和套管可采用離散剛體，通過設(shè)置剛體參考點以控制下壓端的運動。c)對封隔器中心管及套管受力進行分析，中心管與套管應(yīng)設(shè)置為變形體，需要對其設(shè)置材料參數(shù)，并按照5.4.4.2要求進行網(wǎng)格劃分。5.4有限元網(wǎng)格劃分5.4.1二維變形體網(wǎng)格劃分對于二維軸對稱問題，封隔器密封膠筒及支撐環(huán)等可變形體應(yīng)采用三角形單元或者四邊形單元進行網(wǎng)格劃分，推薦采用四邊形單元。封隔器密封膠筒橡膠材料應(yīng)選擇雜交單元模擬超彈性材料的不可壓縮行為。5.4.2三維變形體網(wǎng)格劃分對于三維封隔器模型，封隔器密封膠筒及支撐環(huán)等可變形體應(yīng)采用四面體單元、二次四面體單元或者六面體單元，推薦采用六面體單元，建議采用旋轉(zhuǎn)平面網(wǎng)格單元構(gòu)建三維變形體網(wǎng)格。膠筒橡膠材料應(yīng)選擇雜交單元來模擬超彈性材料的不可壓縮行為。5.4.3剛體網(wǎng)格劃分5.4.3.1對于軸對稱模型，剛體應(yīng)采用2節(jié)點剛性單元。5.4.3.2對于三維剛體，剛體應(yīng)構(gòu)建二維剛體表面，采用三維四邊形和三角形剛性單元，亦可通過旋轉(zhuǎn)一維剛體線單元得到三維四邊形剛體表面單元。4T/CICXXXXX—XXXX5.4.4網(wǎng)格疏密控制5.4.4.1封隔器膠筒與支撐環(huán)過渡倒角位置曲率變化大，應(yīng)進行網(wǎng)格細化。通過對封隔器膠筒網(wǎng)格劃分進行敏感性分析確定合適的網(wǎng)格尺寸。5.4.4.2封隔器中心管與套管的軸向長度與壁厚尺寸相差較大，建議單元長寬比不超過3，壁厚方向單元不少于3層。5.5材料參數(shù)設(shè)置5.5.1封隔器膠筒橡膠材料與其他部件材料屬性的單位制應(yīng)與幾何模型所用單位制一致。5.5.2若中心管與套管采用剛體模型，應(yīng)定義質(zhì)量參考點；采用彈性體模型，應(yīng)定義彈性參數(shù)。5.5.3封隔器膠筒橡膠材料可使用橡膠材料力學(xué)性能試驗數(shù)據(jù)擬合的超彈性本構(gòu)來模擬。對橡膠材料的單軸拉伸和壓縮、等雙軸拉伸和壓縮、平面拉伸和壓縮以及體積拉伸和壓縮實驗獲取的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線數(shù)據(jù)擬合出超彈性材料的材料參數(shù)，其中至少應(yīng)獲取單軸拉伸和單軸壓縮力學(xué)性能測試數(shù)據(jù)，若有條件可獲取其他試驗參數(shù)。5.5.4常用超彈性本構(gòu)模型主要包括：Neo-Hookean形式、Mooney-Rivlin形式、多項式形式、Yeoh形式和Ogden形式。5.5.5封隔器金屬支撐環(huán)應(yīng)準(zhǔn)確輸入材料的彈性參數(shù)和塑性參數(shù)。定義塑性參數(shù)時，應(yīng)采用真實應(yīng)力和真實應(yīng)變。材料試驗的數(shù)據(jù)一般為名義應(yīng)力和名義應(yīng)變，應(yīng)把塑性部分的名義應(yīng)力-應(yīng)變轉(zhuǎn)換為真實應(yīng)力-應(yīng)變。轉(zhuǎn)換公式如下：其中，l0—試樣初始長度，單位為毫米（mmA0—試樣初始面積，單位為平方毫米（mm2l—試樣當(dāng)前長度，單位為毫米（mmA—當(dāng)前截面面積，單位為平方毫米（mm2）。支撐環(huán)材料試驗數(shù)據(jù)塑性參數(shù)數(shù)據(jù)處理，參見附錄B.1，真實應(yīng)力-應(yīng)變必須嚴格遞增。5.6接觸與約束設(shè)置5.6.1封隔器密封膠筒、中心管、支撐環(huán)與套管之間需要定義接觸屬性，法向宜采用硬接觸，切向宜采用庫倫摩擦，接觸形式推薦采用面對面接觸。根據(jù)材料的不同選擇摩擦系數(shù)。5.6.2封隔器密封膠筒、支撐環(huán)、中心管、上下移動端與套管各接觸面上均應(yīng)定義接觸對，宜選擇剛度較大的接觸面為主面，剛度較小的接觸面為從面。5.7邊界條件與載荷施加5T/CICXXXXX—XXXX5.7.1邊界條件5.7.1.1根據(jù)封隔器作業(yè)工況及坐封過程，施加相應(yīng)的約束條件。5.7.1.2邊界約束條件應(yīng)施加在封隔器固定壓端的端部，在移動端施加軸向位移邊界條件，保留徑向與端向自由度無約束；下部支撐端固定，約束六個方向自由度。套管與中心管固定，約束六個方向自由度。5.7.2載荷施加5.7.2.1應(yīng)按照實際封隔器坐封過程的壓縮距，定義可移動端的位移載荷。5.7.2.2建議第一個載荷步先定義小位移使得各部件建立接觸，再施加完整軸向位移，直至坐封結(jié)束。6有限元模型檢查6.1網(wǎng)格檢查劃分網(wǎng)格時，應(yīng)對網(wǎng)格單元進行檢查，具體檢查內(nèi)容及要求如下：a)模型中不應(yīng)存在畸變網(wǎng)格，網(wǎng)格檢查的主要參數(shù)包括單元方向、長寬比、翹曲度、偏斜角、內(nèi)角等方面。b)保證結(jié)構(gòu)重點關(guān)注區(qū)域的單元高質(zhì)量，非重點關(guān)注區(qū)域的單元質(zhì)量可適當(dāng)降低。c)確認橡膠超彈性材料部件使用雜交單元進行網(wǎng)格劃分。6.2質(zhì)量特性檢查網(wǎng)格劃分后，應(yīng)對封隔器膠筒與支撐端的模型質(zhì)量分布、總重量、質(zhì)心位置、裝配相對位置等參數(shù)進行檢查。結(jié)構(gòu)靜強度分析建議定義可移動端參考點質(zhì)量，檢查配重后模型各部分質(zhì)量分布、質(zhì)心是否與實際狀態(tài)一致。6.3工程特性檢查網(wǎng)格劃分后，應(yīng)對封隔器密封膠筒與支撐環(huán)進行工程特性檢查，具體檢查內(nèi)容及要求如下：a)材料參數(shù)檢查。根據(jù)支撐環(huán)材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線檢查彈性與塑性參數(shù)，材料參數(shù)需同時滿足材料本構(gòu)模型與材料性能測試要求。根據(jù)封隔器膠筒橡膠材料力學(xué)性能參數(shù)檢查橡膠超彈性本構(gòu)模型的選擇與參數(shù)設(shè)置。b)單元類型檢查。根據(jù)二維軸對稱模型和三維實體模型有限元建模要求，對封隔器密封膠筒、支撐環(huán)的單元類型進行檢查，單元類型應(yīng)與模型屬性定義一致。c)接觸與約束檢查。檢查封隔器密封膠筒、中心管、橡膠支撐環(huán)、上下可移動塊及套管之間的接觸和約束關(guān)系，宜對摩擦系數(shù)與試驗進行對標(biāo)分析。d)邊界與載荷檢查。根據(jù)封隔器坐封工況，檢查上下可移動塊的自由度約束以及內(nèi)外壁載荷；根據(jù)可移動塊的運動方向，檢查位移載荷方向，確保邊界約束與載荷定義合理。7模型分析與調(diào)試6T/CICXXXXX—XXXX7.1模型分析7.1.1封隔器坐封過程分析是典型的材料非線性、幾何非線性和接觸非線性問題，采用靜力學(xué)分析時，應(yīng)打開大變形開關(guān)，分析步增量推薦0.1至1，分析步總數(shù)量推薦為1000。7.1.2模型分析過程中宜啟動接觸狀態(tài)、計算時間步長監(jiān)測等功能，實時監(jiān)測接觸狀態(tài)與收斂性，以便收斂困難時，對分析模型做出調(diào)整。7.1.3模型應(yīng)根據(jù)封隔器設(shè)計與優(yōu)化、結(jié)果評價的需要，設(shè)置合理、全面的輸出場變量或歷史變量，該包括但不限于應(yīng)力應(yīng)變場、位移場、接觸壓力、可移動塊反力等。7.2模型調(diào)試7.2.1模型提交計算時，可以根據(jù)計算機性能及軟件許可權(quán)限，設(shè)置合理的CPU核心數(shù)量及內(nèi)存占用量，以提高計算效率，縮短計算時間。7.2.2模型計算過程中，通過監(jiān)測場變量或求解控制參數(shù)等發(fā)現(xiàn)模型收斂困難，或無法收斂時，可以重新設(shè)置計算求解控制參數(shù)，比如降低分析步增量等，以達到收斂目的。8結(jié)果評估8.1評估方法8.1.1表象評估法通過結(jié)果表象進行定性評估，具體方法如下：a)根據(jù)輸出計算過程狀態(tài)文件，監(jiān)測模型的收斂性。b)分析封隔器膠筒與支撐端的應(yīng)力、應(yīng)變場，接觸狀態(tài)及結(jié)構(gòu)變形的合理性。8.1.2數(shù)值評估法多次試算封隔器膠筒倒角、支撐環(huán)結(jié)構(gòu)參數(shù)與套管尺寸等幾何模型，摩擦系數(shù)等接觸約束參數(shù)，位移邊界與載荷設(shè)置參數(shù)等，實現(xiàn)對封隔器坐封過程數(shù)值分析結(jié)果的可靠性評估。8.1.3試驗驗證法封隔器物理樣機試驗驗證定量評估，通過監(jiān)測場變量數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)變形參數(shù)，對比有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果，如果偏差較大，以試驗結(jié)果為依據(jù)修正有限元分析模型重新校驗計算后再評估。8.2評估程序封隔器模型分析結(jié)果的評估應(yīng)依次采用表象評估法和數(shù)值評估法進行定性評估，并結(jié)合評估結(jié)果采用物理樣機試驗法驗證。評估后，如分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)存在偏差，需根據(jù)情況，對有限元模型的單元類型、階次、網(wǎng)格尺寸、材料屬性及邊界條件等進行修正，并重新計算和評估，直到分析結(jié)果滿足評估要求。9輸出結(jié)果與評價7T/CICXXXXX—XXXX9.1場變量提取與后處理主要提取封隔器密封膠筒與支撐環(huán)的應(yīng)力、應(yīng)變及變形位移數(shù)據(jù)，密封膠筒與套管的接觸應(yīng)力分布，可移動塊位移量與接觸應(yīng)力、變形量的路徑關(guān)系曲線等。9.2歷史變量提取與后處理主要提取可移動塊的支反力，得到封隔器坐封過程隨時間的反力曲線。10報告編寫10.1報告內(nèi)容針對具體分析對象編寫有限元仿真分析報告，報告包括但不限于以下內(nèi)容：a)任務(wù)概述b)模型介紹c)分析過程d)結(jié)果分析與結(jié)論10.2任務(wù)概述對封隔器坐封過程及優(yōu)化分析的任務(wù)/項目背景進行概述，說明本報告采用的分析類型、分析方法、分析結(jié)果與結(jié)論等。10.3模型介紹描述封隔器坐封過程有限元建模采用的分析類型，模型幾何尺寸、以及幾何模型的簡化及其合理性10.4分析過程封隔器有限元分析過程通常包含模型簡化、網(wǎng)格劃分、材料處理、邊界條件、載荷施加和求解方式等有限元建模過程的描述。10.5結(jié)果分析和結(jié)論10.5.1報告最后應(yīng)給出典型的圖表結(jié)果，如應(yīng)力/應(yīng)變云圖、變形位移圖、接觸壓力分布圖等。10.5.2如有物理樣機試驗驗證評估，應(yīng)包含結(jié)果對比與誤差分析。10.6參考與引用文件包含文獻、試驗、技術(shù)資料或其他文件等數(shù)據(jù)或結(jié)論時，在報告中注明引用文件的作者、名稱和時間等作為參考文獻。10.7符