CN106446365A - 一种油套管的特殊螺纹接头参数化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油套管的特殊螺纹接头参数化设计方法，包括以下步骤：根据图纸尺寸，确定几何参数，在UG软件草图界面，利用几何约束和尺寸约束关系建立初始的接头二维几何模型；建立几何表达式，包括：与各几何参数对应的表达式名称和表达式初值，驱动生成初始图形；利用几何表达式中的表达式名称替换初始图形中各几何参数值；从几何表达式中选择需要的几何参数，并创建部件族表格，填写接头管体和接箍相关的几何参数值；在部件族中选择所需的接头部件，自动生成与之对应的接头几何模型。本发明利用三维建模软件，基于草图的参数化设计方法，实现接头结构的参数化设计，在可以大幅度减少接头几何建模的工作量，提高工作效率和有限元分析的准确性。
Description
技术领域
本发明属于油套管结构设计领域，具体涉及一种油套管的特殊螺纹接头参数化设计方法。
背景技术
近年来，复杂工况油气井不断被开发与使用，API油套管已经不能满足市场需求，迫切需要具有高性能的特殊螺纹接头油套管。特殊螺纹接头的螺纹在偏梯形螺纹基础上进行改进优化，设计了金属对金属密封结构，包括主密封结构和辅助密封结构，不仅连接强度得以提高，而且在复杂载荷用下仍能保持良好的密封性能。特殊螺纹接头按照有无接箍可以分为带接箍式接头和无接箍式接头，目前各大油田使用最多的是带接箍式接头，而无接箍式特殊螺纹接头主要在小间隙固井和修井作业中使用。接头主要包括5个参数，即：承载面角度、导向面角度、齿高、螺距及螺纹锥度。由于特殊螺纹接头的结构日趋复杂化，平时我们采用的一般结构设计方法已经不能满足要求，尤其我们在对其密封性进行评价所需进行的有限元分析时。
发明内容
为了克服现有油套管特殊螺纹接头的结构设计方法的缺陷，本发明提出一种油套管的螺纹接头参数化设计方法，解决了油套管特殊螺纹接头在进行密封性能的有限元分析时几何建模的工作量较大的问题，大大的提高工作效率。。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种油套管的特殊螺纹接头参数化设计方法，包括以下步骤：
步骤一、根据特殊螺纹接头图纸尺寸，确定与螺纹接头相关的各个几何参数，并在UG软件草图界面，利用螺纹接头的几何约束和尺寸约束关系建立初始的接头二维几何模型；
步骤二、基于步骤一，建立驱动生成接头模型的几何表达式，包括：与各几何参数对应的表达式名称和表达式初值，并驱动生成初始图形；
步骤三、在步骤二完成后进入草图界面，利用几何表达式中的表达式名称替换步骤二中的初始图形中各几何参数值；
步骤四、创建部件族，具体为：从几何表达式中选择需要的几何参数，并创建部件族表格，根据后续设计分析要求，填写接头管体和接箍相关的几何参数值；
步骤五、使用时，待步骤三与步骤四完成后，在部件族中选择所需的接头部件，UG软件自动生成与之对应的接头几何模型，完成参数化设计。
所述步骤一中，各几何参数具体包括：管体螺纹承载面角度、管体螺纹导向面角度、管体螺纹齿高、管体螺纹螺距、管体螺纹锥度、管体密封面角度、管体扭转台肩角度、接箍螺纹承载面角度、接箍螺纹导向面角度、接箍螺纹齿高、接箍螺纹螺距、接箍螺纹锥度、接箍密封面角度、接箍扭转台肩角度、管体螺纹齿顶到中径线的竖直距离、接箍螺纹齿顶到中径线的竖直距离、管体非齿槽处螺纹的中径线在水平方向的距离、接箍齿槽处螺纹的中径线在水平方向的距离。
所述步骤三中，具体为：用几何表达式中的管体螺纹承载面角度、管体螺纹导向面角度、管体螺纹齿高、管体螺纹齿距来替换管体螺纹草图中的各尺寸数值；用几何表达式中接箍螺纹承载面角度、接箍螺纹导向面角度、接箍螺纹齿高、接箍螺纹齿距来替换接箍螺纹草图中的各尺寸数值；用几何表达式中的管体密封面角度、管体扭矩台肩角度来替换管体密封面与扭矩台肩面草图中的各尺寸数值；用几何表达式中的接箍密封面角度、接箍扭矩台肩角度来替换接箍密封面与扭矩台肩面草图中的各尺寸数值。
所述步骤一还包括：建立几何模型时，接头管体长度大于管端到管端螺纹消失点距离的2倍。
所述步骤五中，选择所需的接头几何参数具体为：螺纹参数按照机械设计手册里的标准的定义进行选取；密封面与台肩面参数按照最直观、能确定其形状特征的最少个数参数的原则进行选取。
本发明的有益效果：
本发明能利用UG三维建模软件，根据接头结构尺寸及约束，采用基于草图的参数化设计方法，最终实现了接头结构的参数化设计过程，在进行接头密封性能的有限元分析时，可以大幅度减少接头几何建模的工作量，提高工作效率和有限元分析的准确性。
附图说明
图1为本发明一种实施例的油套管特殊螺纹接头的结构示意图。
图2为本发明一种实施例的几何表达式界面示意图。
图3为本发明一种实施例的替换后的接头管体螺纹主要几何尺寸参数示意图。
图4为本发明一种实施例的替换后的接头接箍螺纹主要几何尺寸参数示意图。
图5(a)为本发明一种实施例的替换后的接头管体密封面与台肩面主要几何尺寸参数示意图。
图5(b)为本发明一种实施例的替换后的接头接箍密封面与台肩面主要几何尺寸参数示意图。
图6为本发明一种实施例的UG软件中部件族电子表格示意图。
图7为本发明一种实施例的UG软件自动生成的接头几何模型图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
一种油套管的特殊螺纹接头参数化设计方法，包括以下步骤：
步骤一、根据特殊螺纹接头图纸尺寸，确定与螺纹接头相关的各个几何参数，并在UG软件草图界面，利用螺纹接头的几何约束和尺寸约束关系建立初始的接头二维几何模型；
步骤二、基于步骤一，建立驱动生成接头模型的几何表达式，包括：与各几何参数对应的表达式名称和表达式初值，并驱动生成初始图形；
步骤三、在步骤二完成后进入草图界面，利用几何表达式中的表达式名称替换步骤二中的初始图形中各几何参数值；
步骤四、创建部件族，具体为：从几何表达式中选择需要的几何参数，并创建部件族表格，根据后续设计分析要求，填写接头管体和接箍相关的几何参数值；这些几何参数值就是图形的尺寸，在UG软件中修改尺寸值就可以对图形进行修改，这些参数决定了螺纹的形状与结构，具体见图2，对参数进行了具体的解释。
步骤五、使用时，待步骤三与步骤四完成后，在部件族中选择所需的接头部件，UG软件自动生成与之对应的接头几何模型，完成参数化设计。
所述步骤一中，各几何参数具体包括：管体螺纹承载面角度、管体螺纹导向面角度、管体螺纹齿高、管体螺纹螺距、管体螺纹锥度、管体密封面角度、管体扭转台肩角度、接箍螺纹承载面角度、接箍螺纹导向面角度、接箍螺纹齿高、接箍螺纹螺距、接箍螺纹锥度、接箍密封面角度、接箍扭转台肩角度、管体螺纹齿顶到中径线的竖直距离、接箍螺纹齿顶到中径线的竖直距离、管体非齿槽处螺纹的中径线在水平方向的距离、接箍齿槽处螺纹的中径线在水平方向的距离。
所述步骤三中，具体为：用几何表达式中的管体螺纹承载面角度、管体螺纹导向面角度、管体螺纹齿高、管体螺纹齿距来替换管体螺纹草图中的各尺寸数值；用几何表达式中接箍螺纹承载面角度、接箍螺纹导向面角度、接箍螺纹齿高、接箍螺纹齿距来替换接箍螺纹草图中的各尺寸数值；用几何表达式中的管体密封面角度、管体扭矩台肩角度来替换管体密封面与扭矩台肩面草图中的各尺寸数值；用几何表达式中的接箍密封面角度、接箍扭矩台肩角度来替换接箍密封面与扭矩台肩面草图中的各尺寸数值。
由于特殊螺纹接头上扣后是复杂的非线性接触问题，进行接头三维有限元分析时工作量大，分析困难，但是接头的螺纹升角很小，对有限元计算结果可以忽略不计，所以接头几何建模可以不考虑有螺纹升角的三维几何模型，而采用二维几何模型。同时，又因为接箍在中间面是对称分布的，所以将接头二维几何模型设置为轴对称模型。
为消除边界效应，建立几何模型时，所述接头管体长度大于管端到管端螺纹消失点距离的2倍。
所述步骤五中，选择所需的接头几何参数具体为：螺纹参数按照机械设计手册里的标准的定义进行选取；密封面与台肩面参数按照最直观、能确定其形状特征的最少个数参数的原则进行选取。
实施例一
如图1所示的油套管的特殊螺纹接头，其接头参数为：
承载面角度-3°，导向面角度10°，管体外螺纹的齿高1.575mm，接箍内螺纹的齿高1.775mm，螺纹螺距5.08mm，5牙/1英寸，螺纹锥度1:16；接头密封结构采用锥面/锥面主密封结构和-15°反向扭矩台肩辅助密封结构，密封面与水平方向成20°角，可以保证接头有足够大的接触面积和接触压力，密封性能良好，扭矩台肩作为上扣的定位控制，保证了螺纹接触部分和密封面接触部分能精确配合，同时又保证了密封结构的过盈量能达到设计要求。本实例所用的油套管特殊螺纹接头规格为177.8×9.19mm，钢级P110。
特殊螺纹接头结构具体参数化设计过程如下：
(1)按照特殊螺纹接头图纸尺寸，在UG草图界面利用接头的几何约束和尺寸约束关系建立接头的二维几何模型；
(2)添加几何表达式，如图2，以接头的主要几何尺寸参数驱动图形的生成。以上步骤完成后，进入草图界面，用几何表达式中的PBSA(管体螺纹承载面角度)、PGSA(管体螺纹导向面角度)、PTH(管体螺纹齿高)等表达式名称来替换草图中的各尺寸数值，替换后的接头管体和接箍螺纹、密封面及扭矩台肩处的主要几何尺寸参数如图3～图5；图中，P54:PGSA表示：P54为在UG中系统自动为其分配的一个尺寸代号，PGSA为管体螺纹导向面角度，即螺纹导向面与螺纹径向面(竖直方向)之间的夹角，图中其他的参数的意义类推。
(3)创建部件族，选择表达式中的PBSA、PGSA、PTH等参数，创建EXCLE电子表格，根据需要的有限元分析要求，填写接头管体和接箍相关几何结构参数值，UG部件族电子表格如图6；
(4)在电子表格中选择所需的接头几何参数，UG会自动生成与之对应的接头几何模型，如图7，从而实现了接头结构的参数化设计过程。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种油套管的特殊螺纹接头参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据特殊螺纹接头图纸尺寸，确定与螺纹接头相关的各个几何参数，并在UG软件草图界面，利用螺纹接头的几何约束和尺寸约束关系建立初始的接头二维几何模型；
步骤二、基于步骤一，建立驱动生成接头模型的几何表达式，包括：与各几何参数对应的表达式名称和表达式初值，并驱动生成初始图形；
步骤三、在步骤二完成后进入草图界面，利用几何表达式中的表达式名称替换步骤二中的初始图形中各几何参数值；
步骤四、创建部件族，具体为：从几何表达式中选择需要的几何参数，并创建部件族表格，根据后续设计分析要求，填写接头管体和接箍相关的几何参数值；
步骤五、使用时，待步骤三与步骤四完成后，在部件族中选择所需的接头部件，UG软件自动生成与之对应的接头几何模型，完成参数化设计。
2.根据权利要求1所述的一种油套管的特殊螺纹接头参数化设计方法，其特征在于：所述步骤一中，各几何参数具体包括：管体螺纹承载面角度、管体螺纹导向面角度、管体螺纹齿高、管体螺纹螺距、管体螺纹锥度、管体密封面角度、管体扭转台肩角度、接箍螺纹承载面角度、接箍螺纹导向面角度、接箍螺纹齿高、接箍螺纹螺距、接箍螺纹锥度、接箍密封面角度、接箍扭转台肩角度、管体螺纹齿顶到中径线的竖直距离、接箍螺纹齿顶到中径线的竖直距离、管体非齿槽处螺纹的中径线在水平方向的距离、接箍齿槽处螺纹的中径线在水平方向的距离。
3.根据权利要求2所述的一种油套管的特殊螺纹接头参数化设计方法，其特征在于：所述步骤三中，具体为：用几何表达式中的管体螺纹承载面角度、管体螺纹导向面角度、管体螺纹齿高、管体螺纹齿距来替换管体螺纹草图中的各尺寸数值；用几何表达式中接箍螺纹承载面角度、接箍螺纹导向面角度、接箍螺纹齿高、接箍螺纹齿距来替换接箍螺纹草图中的各尺寸数值；用几何表达式中的管体密封面角度、管体扭矩台肩角度来替换管体密封面与扭矩台肩面草图中的各尺寸数值；用几何表达式中的接箍密封面角度、接箍扭矩台肩角度来替换接箍密封面与扭矩台肩面草图中的各尺寸数值。
4.根据权利要求1所述的一种油套管的特殊螺纹接头参数化设计方法，其特征在于：所述步骤一还包括：建立几何模型时，接头管体长度大于管端到管端螺纹消失点距离的2倍。
5.根据权利要求1或2所述的一种油套管的特殊螺纹接头参数化设计方法，其特征在于：所述步骤五中，选择所需的接头几何参数具体为：螺纹参数按照机械设计手册里的标准的定义进行选取；密封面与台肩面参数按照最直观、能确定其形状特征的最少个数参数的原则进行选取。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170222 |