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1、文章编号: 100225855(2010) 0120035202 作者简介:徐桃园(1983 - ) ,男,硕士研究生,主要从事石油钻井及相关机械设备方面的研究。 井口防喷阀有限元分析与结构优化 徐桃园 1,管 强1,胡 霞1,王建方2 (11长江大学 机械工程学院,湖北 荆州434023;21胜利油田,山东 济南250012) 摘要 采用PRO /E与ANSYS的无缝连接技术,对某型号的双闸板防喷阀阀体进行了三维实 体建模和有限元分析,获得了阀体的应力分布规律,提出了优化设计方案。 关键词 双闸板;防喷阀;有限元;应力分析 中图分类号:TE931 文献标识码:A Finite element
2、 analysis and structural optim ization wellhead lubricator valve XU Tao2yuan 1 , GUAN Q iang 1 , HU X ia 1 ,WANG Jian2fang 2 (11The Yangtze University, Jingzhou434023, China;21Shenli O il Field, Jinan250012, China) Abstract:A fter the three2di m ensional entity m odeling and finite elem ent analysis
3、 of a double gate lubri2 cator valve w ere carried out by Pro /E and ANSYS seam less connectivity technology, the stress distribu2 tion of the valve w as obtained, and provided a reference for the structural design and size optim ization of a sim ilar shell2type parts. Key words:double gate; lubrica
4、tor valve; finite elem ent; stress analysis 1 概述 井口防喷阀的下法兰端面通过螺栓及密封钢圈 安装在石油钻采井口四通上,当地层压力异常升高, 出现井喷迹象或井喷时,无论井内是否有油管,即井 内空井或环形空间时,都可以通过手轮或液压驱动 合拢闸板实现封井,并防止井喷。由于防喷阀阀体 处在高压工况下,因此,在新阀体的开发设计和老产 品的结构改进中,都离不开对阀体的应力分布规律 的掌握。本文结合三维造型软件PRO /E进行实体 的建模,并利用PRO /E与有限元分析软件ANSYS 的通道,将其模型导入ANSYS进行强度分析并提出 优化方案。 2 实体模型
5、的建立 211 防喷阀的结构及工作原理 防喷阀(图 1) 由上部连接法兰、 阀体、 下端连接 法兰、 侧门及密封组件、 丝杠、 闸板轴(螺母)传动组 件、 闸板及密封胶芯等组成。在阀体中间部分,装有 两层密封闸板,上层为半封(封闭油管与套管的环 型空间)闸板密封胶芯总成,下层为全封(封闭空 井)闸板密封胶芯总成。作业过程中,如果出现压 力异常高的情况,需要关井以确保安全。此时,通过 液压或手轮推动闸板合拢,实现全封或半封。 11下法兰 21侧门 31阀体 41上法兰 51半封闸板 6、121胶 芯 71闸板轴 81液压缸 91轴承 101丝杆 111全封闸板 131密封槽 图1 双闸板防喷阀的
6、结构 212 PRO /E建模 1 在PRO /E建模中先进行单位设置,一般采用国 际单位制以确保导出的尺寸和实体的基本物理量属 于同一单位制,避免了烦琐的单位量纲换算。 结合防喷阀的工作特性,在不影响强度分析结 果精确性的情况下,建模过程中,进行一定程度的简 化,只取其中的阀体和上下端的法兰进行分析。建 模过程中使用拉伸、 旋转、 创建参照平面和镜像等工 具(图2a) ,并保存为IGES格式的文件,便于AN2 SYS进行调用。 532010年第1期 阀 门 (a)导入前 (b)导入后 图2 防喷阀导入前后三维实体模型 3 阀体的有限元分析 311 导入模型及设置单元条件 运行ANSYS后,直
7、接在实用菜单栏中,点击文 件夹选项中的输入文件,找到该IGES文件,模型会 自动导入ANSYS(图2b) ,通过比较导入前、 后的模 型可知,模型没有发生扭曲、 多面和丢面等现象,确 保了信息的完整 2 。 根据阀体的结构特点、 载荷类型以及分析的需 要,单元类型选择为SOL I D185,该阀体材料为 0Cr18Ni9,其弹性模量E= 209GPa,泊松比 = 0129,屈服点 s= 205MPa,抗拉强度 b= 520MPa, 工作压力p=35MPa。 312 划分网格及求解 由于阀体结构为前后左右对称,为了减少计算 量、 提高计算效率和节省计算机资源,依据模型简化 理论,通过工作平面沿对
8、称面将阀体剖开,按其约束 和受力特征取其1 /2进行分析计算。网格划分尺寸 应该控制在小于或等于阀体的最小壁厚值,进行尺 寸大小控制后,采用自由体网格划分的方法进行划 分,并在局部进行网格细化 4 。共划分单元数 13 727个,节点数23 008个(图 3) 。 图3 主阀体划分网格模型 在模型的对称面上施加对称边界约束,在上、 下 法兰端面和左、 右侧面上施加全约束,根据阀体载荷 为均匀内压, 35MPa的工作压力施加在阀体内表面, 并选择PCG迭代求解器,由计算机自动完成求解过 程。 313 查看结果 由于本实例属于静态结果分析范畴,所以选用 通用后处理器进行分析结果的查看(图 4) 。
9、 (a)应力分布云图 (b)位移分布云图 图4 后处理结果查看 从图4中可以看出,阀体的 最 大 应力 为 121MPa,发生在上、 下法兰端面接口连接出,在加工 制造时应尽量避免产生加工缺陷。同时,两闸板与 中心圆柱面的相贯处应力相对较大,也是考虑加工 技术及处理的重点目标。 4 结构优化 为了降低防喷阀的失效机率,提高其运行可靠 性,应用ANSYS中的优化模块对其结构进行优化分 析,调整主阀体各部分重要尺寸,达到减小最大应 力、 减轻质量和节省材料的目的。 选择设计变量 将主阀体的外形尺寸和内 部通径及双闸板部分尺寸作为设计变量。 选择状态变量 将主阀体受到的最大应力 作为状态变量。 选择
10、目标函数 将主阀体的体积作为目标 函数,求其最小值。 进行优化分析 检验合理性。 优化结果如表1。 表1 优化前、 后模型属性对比 主阀体模型长/mm宽/mm高/mm体积/m3最大应力/M Pa 优化前52438035601071121 优化后48939239401075103 5 结语 通过CAD和CA E技术的有效结合,成功地对 双闸板防喷阀进行了三维实体分析,简化了设计过 程,缩短了开发周期以及提高了生产效率及设计的 可靠性,既提高了产品质量,又降低了成本。 参考文献 1 钟日铭.PRO /ENGINEER W ILDFIRE完全实例解析 M. 北京.机械工业出版社,2008. 2 杨萍,贺小明.ANSYS与Pro /E间无缝连接的应用研究 J.机械设计与制造,2006,(1 ). 3 成大先,机械设计手册 M.北京:化学工业出版社, 2007. 4 李军业.弹性楔式闸阀阀体应力及位移分析 J.阀门, 2000,(1 ) : 4 - 6. 5 邢静忠,王永岗.ANSYS7.0分析实例与工程应用 M. 北京:机械工业出版社,2004:49 - 51. 6 余龙,俞树荣,李淑欣.虚拟现实技术在阀门设计中的应 用 J.阀门,2008,(2 ). (收稿日期:2009109109) 63 阀 门 2010年第1期