CN104765898A - 一种锥环与密封环的组合结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锥环与密封环的组合结构及其设计方法，该锥环与密封环的组合结构包括锥环以及设置在所述锥环内的密封环，其中，所述锥环为复合材料制作的S型锥环，所述S型锥环上设置有多个第一开口，所述密封环为复合材料制作的密封环，所述密封环上设置有多个第二开口，且所述S型锥环上的第一开口与所述密封环上的第二开口位置相错。本发明的有益效果为：通过采用复合材料制作的锥环与密封环的组合结构提高了锥环与密封环的组合结构的强度，克服了传统复合材料锥环与密封环不易胀开，并且胀开的时候容易断裂造成坐封失败的缺点；并通过采用软件设计锥环和密封环提高了锥环和密封环的设计速度，降低了其设计成本。

Description

一种锥环与密封环的组合结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及桥塞技术中锥环与密封环，尤其涉及到一种锥环与密封环的组合结构及设计方法。

背景技术

桥塞用于油气井封层，具有施工工序少、周期短、卡封位置准确的特点。坐封组件作为桥塞的主要组件，包括胶筒、锥环与密封环，而锥环与密封环作为胶筒的保护伞，对桥塞坐封的好坏起着决定性的作用。目前，油气井普通使用的桥塞组件锥环与密封环为金属材料，存在易卡、钻铣困难、钻铣耗时长(封堵层段越多，所需钻铣时间越长)、返排困难、可靠性低等缺点。

且传统的锥环与密封环的结构设计采用反复试验的方法，通过反复试验、反复修改尺寸最终对产品定型，设计开发盲目性大，开发周期厂，研制成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种锥环与密封环的组合结构，以解决现有技术的上述不足。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

本发明提供了一种锥环与密封环的组合结构，该组合结构包括锥环以及设置在所述锥环内的密封环，其中，所述锥环为复合材料制作的S型锥环，所述S型锥环上设置有多个第一开口，所述密封环为复合材料制作的密封环，所述密封环上设置有多个第二开口，且所述S型锥环上的第一开口与所述密封环上的第二开口位置相错。

优选的，所述S型锥环上开口的个数为12个，所述密封环上开口的个数为6个，且所述锥环的开口处和所述密封环的开口处分别设置有倒圆角。

本发明提供了一种锥环与密封环的组合结构的设计方法，该设计方法应用ANSYS软件编写APDL参数化设计程序，对锥环与密封环的组合结构在设计工况下进行静力分析，若锥环与密封环的径向位移与等效应变均满足变形要求与材料性能要求，则结构设计过程结束，若锥环与密封环的径向位移与等效应变不满足变形要求与材料性能要求，则返回到初始设计阶段，更改尺寸，重新计算。

优选的，对锥环与密封环进行分析计算包括下述步骤：

根据锥环与密封环的结构参数，采用CAD软件SolidWorks建立锥环与密封环的参数化几何模型，并将锥环与密封环的几何模型导入ANSYS中；

在ANSYS几何模型文件中设置锥环与密封环材料属性数据，该材料属性数据包括弹性模量和泊松比，并设置锥环与密封环几何模型的单元类型和单元大小；

将锥环与将锥环与密封环几何模型自动离散成若干单元，采用ANSYS支持的自由网格划分方法来划分几何模型，从而生成锥环与密封环的有限元模型；

设置锥环与密封环之间的接触参数，定义锥环与密封环的接触对；

给定锥环与密封环有限元模型的约束条件，确定锥环与密封环所承受的载荷；

定义求解和载荷步选项，计算锥环与密封环的径向位移与等效应变，并绘制锥环与密封环的径向位移云图及等效应变云图；

根据锥环与密封环的结构分析，构建APDL宏文件；

将APDL宏文件存入到ANSYS工作目录下，在ANSYS运行界面下调用APDL宏文件直接对锥环与密封环进行结构分析。

根据ANSYS有限元分析结果，对锥环与密封环的径向位移与等效应变进行评定，如果径向位移与等效应变均能满足变形要求与材料性能要求，那么结构设计过程结束；否则返回到初始设计阶段，更改锥环与密封环的模型尺寸，重新调用APDL宏文件进行分析计算。

优选的，所述锥环材料的弹性模量为5GPa，泊松比为0.3；所述密封环材料的弹性模量为3.6GPa，泊松比为0.3。

优选的，所述单元类型为SOLID186；所述单元结构为四面体。

优选的，所述锥环与密封环的接触对包括：

建立模型并划分网格；

识别接触对，锥环与密封环接触；

定义目标面，目标单元TARGE170；

定义接触面，接触单元CONTA174；

设置实常数和单元选项；

生成目标单元和接触单元。

优选的，所述约束为：锥环与密封环为对称结构，取1/4进行分析计算，在对称边施加对称约束，在锥环后端施加轴向位移约束。

优选的，所述载荷计算公式为：

$P=\frac{F/S_{0}g{S}_0^{\′}g\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{S}$

其中，F为轴向力，S₀为轴向截面面积，为某斜面的轴向投影面积，α为斜面与水平方向的夹角，S为斜面面积。

优选的，所述求解和载荷步选项包括：

打开自动时间步长；

定义载荷步与子步；

打开线性搜索；

输出控制选项。

本发明的有益效果为：通过采用复合材料制作的锥环与密封环的组合结构提高了锥环与密封环的组合结构的强度，克服了传统复合材料锥环与密封环不易胀开，并且胀开的时候容易断裂造成坐封失败的缺点；并通过采用软件设计锥环和密封环提高了锥环和密封环的设计速度，降低了其设计成本。

附图说明

下面根据附图对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明实施例所述的1/4结构的锥环与密封环的组合结构的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的1/4结构的锥环与密封环的组合结构的侧视图。

图中：

1、锥环；2、密封环；3、第一开口；4、第二开口。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明实施例所述的一种锥环与密封环的组合结构，该组合结构包括锥环1以及设置在所述锥环1内的密封环2，其中，所述锥环1为复合材料制作的S型锥环1，所述S型锥环1上设置有多个第一开口3，所述密封环2为复合材料制作的密封环2，所述密封环2上设置有多个第二开口4，且所述S型锥环1上的第一开口3与所述密封环2上的第二开口4位置相错。

其中，所述锥环1为短纤维增强复合材料制作而成的锥环1，所述密封环2为聚四氯乙烯材料制作而成的密封环2。

优选的，所述S型锥环1上开口的个数为12个，所述密封环2上开口的个数为6个，且所述锥环1的开口处和所述密封环2的开口处分别设置有倒圆角。

本实施例提供采用复合材料制作的锥环1与密封环2的组合结构提高了锥环1与密封环2的组合结构的强度，克服了传统复合材料锥环1与密封环2不易胀开，并且胀开的时候容易断裂造成坐封失败的缺点。

本发明提供了一种锥环与密封环的组合结构的设计方法，该设计方法应用ANSYS软件编写APDL参数化设计程序，对锥环与密封环的组合结构在设计工况下进行静力分析，若锥环与密封环的径向位移与等效应变均满足变形要求与材料性能要求，则结构设计过程结束，若锥环与密封环的径向位移与等效应变不满足变形要求与材料性能要求，则返回到初始设计阶段，更改尺寸，重新计算。

其中的的静力分析，首先根据设计规格，采用CAD软件SolidWorks建立锥环与密封环的参数化几何模型，然后将几何模型导入ANSYS中，建立有限元模型，对锥环与密封环进行分析计算，提取径向位移云图与等效应变云图。

其中的对锥环与密封环进行分析计算具体包括下述步骤：

1)根据锥环与密封环的结构参数，采用CAD软件SolidWorks建立锥环与密封环的参数化几何模型，并将锥环与密封环的几何模型导入ANSYS中；

2)在ANSYS几何模型文件中设置锥环与密封环材料属性数据，该材料属性数据包括弹性模量和泊松比，并设置锥环与密封环几何模型的单元类型和单元大小；

其中，所述锥环材料的弹性模量为5GPa，泊松比为0.3；所述密封环材料的弹性模量为3.6GPa，泊松比为0.3。

具体的，所述单元类型为SOLID186；所述单元结构为四面体。

3)将锥环与密封环几何模型自动离散成若干单元，采用ANSYS支持的自由网格划分方法来划分几何模型，从而生成锥环与密封环的有限元模型；

4)设置锥环与密封环之间的接触参数，定义锥环与密封环的接触对；

具体的，所述锥环与密封环的接触对包括：

建立模型并划分网格；识别接触对，锥环与密封环接触；定义目标面，目标单元TARGE170；定义接触面，接触单元CONTA174；设置实常数和单元选项；生成目标单元和接触单元。

5)给定锥环与密封环有限元模型的约束条件，确定锥环与密封环所承受的载荷；

具体的，所述约束为：锥环与密封环为对称结构，取1/4进行分析计算，在对称边施加对称约束，在锥环后端施加轴向位移约束。所述载荷计算公式为：

$P=\frac{F/S_{0}g{S}_0^{\′}g\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{S}$

其中，F为轴向力，S₀为轴向截面面积，为某斜面的轴向投影面积，α为斜面与水平方向的夹角，S为斜面面积。

6)定义求解和载荷步选项，计算锥环与密封环的径向位移与等效应变，并绘制锥环与密封环的径向位移云图及等效应变云图；

具体的，所述求解和载荷步选项包括：

打开自动时间步长；定义载荷步与子步；打开线性搜索；输出控制选项。

7)根据步骤1)至步骤6)的锥环与密封环的结构分析，构建APDL宏文件；

8)将APDL宏文件存入到ANSYS工作目录下，在ANSYS运行界面下调用APDL宏文件直接对锥环与密封环进行结构分析。

9)根据ANSYS有限元分析结果，对锥环与密封环的径向位移与等效应变进行评定，如果径向位移与等效应变均能满足变形要求与材料性能要求，那么结构设计过程结束；否则返回到初始设计阶段，更改锥环与密封环的模型尺寸，重新调用APDL宏文件进行分析计算。

通过上述锥环与密封环的组合结构的设计方法可以看出，通过对锥环建立模型，并对建立的模型进行受力分析，可以快速的设计出合格的锥环与密封环的组合结构，提高了锥环与密封环的组合结构设计速度，并降低了锥环与密封环的组合结构的设计成本。该设计方法成本低，效率高，操作简单，是一种对锥环与密封环静力分析计算的行之有效的方法。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种锥环与密封环的组合结构，其特征在于，包括锥环以及设置在所述锥环内的密封环，其中，所述锥环为复合材料制作的S型锥环，所述S型锥环上设置有多个第一开口，所述密封环为复合材料制作的密封环，所述密封环上设置有多个第二开口，且所述S型锥环上的第一开口与所述密封环上的第二开口位置相错。

2.根据权利要求1所述的锥环与密封环的组合结构，其特征在于，所述S型锥环上开口的个数为12个，所述密封环上开口的个数为6个，且所述锥环的开口处和所述密封环的开口处分别设置有倒圆角。

3.一种锥环与密封环的组合结构的设计方法，其特征在于，应用ANSYS软件编写APDL参数化设计程序，对锥环与密封环的组合结构在设计工况下进行静力分析，若锥环与密封环的径向位移与等效应变均满足变形要求与材料性能要求，则结构设计过程结束，若锥环与密封环的径向位移与等效应变不满足变形要求与材料性能要求，则返回到初始设计阶段，更改尺寸，重新计算。

4.根据权利要求3所述的锥环与密封环的组合结构的设计方法，其特征在于，对锥环与密封环进行分析计算包括下述步骤：

根据锥环与密封环的结构参数，采用CAD软件SolidWorks建立锥环与密封环的参数化几何模型，并将锥环与密封环的几何模型导入ANSYS中；

在ANSYS几何模型文件中设置锥环与密封环材料属性数据，该材料属性数据包括弹性模量和泊松比，并设置锥环与密封环几何模型的单元类型和单元大小；

将锥环与密封环几何模型自动离散成若干单元，采用ANSYS支持的自由网格划分方法来划分几何模型，从而生成锥环与密封环的有限元模型；

设置锥环与密封环之间的接触参数，定义锥环与密封环的接触对；

给定锥环与密封环有限元模型的约束条件，确定锥环与密封环所承受的载荷；

定义求解和载荷步选项，计算锥环与密封环的径向位移与等效应变，并绘制锥环与密封环的径向位移云图及等效应变云图；

根据锥环与密封环的结构分析，构建APDL宏文件；

将APDL宏文件存入到ANSYS工作目录下，在ANSYS运行界面下调用APDL宏文件直接对锥环与密封环进行结构分析。

根据ANSYS有限元分析结果，对锥环与密封环的径向位移与等效应变进行评定，如果径向位移与等效应变均能满足变形要求与材料性能要求，那么结构设计过程结束；否则返回到初始设计阶段，更改锥环与密封环的模型尺寸，重新调用APDL宏文件进行分析计算。

5.根据权利要求4所述的锥环与密封环的组合结构的设计方法，其特征在于，所述锥环材料的弹性模量为5GPa，泊松比为0.3；所述密封环材料的弹性模量为3.6GPa，泊松比为0.3。

6.根据权利要求4所述的锥环与密封环的组合结构的设计方法，其特征在于，所述单元类型为SOLID186；所述单元结构为四面体。

7.根据权利要求4所述的锥环与密封环的组合结构的设计方法，其特征在于，所述锥环与密封环的接触对包括：

建立模型并划分网格；

识别接触对，锥环与密封环接触；

定义目标面，目标单元TARGE170；

定义接触面，接触单元CONTA174；

设置实常数和单元选项；

生成目标单元和接触单元。

8.根据权利要求4所述的锥环与密封环的组合结构的设计方法，其特征在于，所述约束为：锥环与密封环为对称结构，取1/4进行分析计算，在对称边施加对称约束，在锥环后端施加轴向位移约束。

9.根据权利要求4所述的锥环与密封环的组合结构的设计方法，其特征在于，所述载荷计算公式为：

$P=\frac{F/S_{0}g{S}_0^{\′}g\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{S}$

其中，F为轴向力，S₀为轴向截面面积，为某斜面的轴向投影面积，α为斜面与水平方向的夹角，S为斜面面积。

10.根据权利要求4所述的锥环与密封环的组合结构的设计方法，其特征在于，所述求解和载荷步选项包括：

打开自动时间步长；

定义载荷步与子步；

打开线性搜索；

输出控制选项。