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2012-06-08
采用PRO/E與ANSYS的無(wú)縫連接技術(shù),對(duì)某型號(hào)的雙閘板防噴閥閥體進(jìn)行了三維實(shí)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(jì)方案。
1、概述
井口防噴閥的下法蘭端面通過(guò)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(shí),無(wú)論井內(nèi)是否有油管,即井內(nèi)空井或環(huán)形空間時(shí),都可以通過(guò)手輪或液壓驅(qū)動(dòng)合攏閘板實(shí)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和老產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)改進(jìn)中,都離不開(kāi)對(duì)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進(jìn)行實(shí)體的建模,并利用PRO /E與有限元分析軟件ANSYS的通道,將其模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行強(qiáng)度分析并提出優(yōu)化方案。
2、實(shí)體模型的建立
2.1、防噴閥的結(jié)構(gòu)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(mén)及密封組件、絲杠、閘板軸（螺母）傳動(dòng)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(guò)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(shí),通過(guò)液壓或手輪推動(dòng)閘板合攏,實(shí)現(xiàn)全封或半封。
1.下法蘭 2.側(cè)門(mén) 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1 雙閘板防噴閥的結(jié)構(gòu)
2.2、PRO/E建模〔1〕
在PRO/E建模中先進(jìn)行單位設(shè)置,一般采用單位制以確保導(dǎo)出的尺寸和實(shí)體的基本物理量屬于同一單位制,避免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(qiáng)度分析結(jié)果性的情況下,建模過(guò)程中,進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化,只取其中的閥體和上下端的法蘭進(jìn)行分析。建模過(guò)程中使用拉伸、旋轉(zhuǎn)、創(chuàng)建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進(jìn)行調(diào)用。
4、結(jié)構(gòu)優(yōu)化
為了降低防噴閥的失效機(jī)率,提高其運(yùn)行可靠性,應(yīng)用ANSYS中的優(yōu)化模塊對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析,調(diào)整主閥體各部分重要尺寸,達(dá)到減小zui大應(yīng)力、減輕質(zhì)量和節(jié)省材料的目的。
①選擇設(shè)計(jì)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(jì)變量。
②選擇狀態(tài)變量———將主閥體受到的zui大應(yīng)力作為狀態(tài)變量。
③選擇目標(biāo)函數(shù)———將主閥體的體積作為目標(biāo)函數(shù),求其zui小值。
④進(jìn)行優(yōu)化分析———檢驗(yàn)合理性。
優(yōu)化結(jié)果如表1。
表1 優(yōu)化前、后模型屬性對(duì)比
5、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)CAD 和CA E技術(shù)的有效結(jié)合, 成功地對(duì)雙閘板防噴閥進(jìn)行了三維實(shí)體分析, 簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程, 縮短了開(kāi)發(fā)周期以及提高了生產(chǎn)效率及設(shè)計(jì)的可靠性, 既提高了產(chǎn)品質(zhì)量, 又降低了成本。
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