基于有限元的封隔器卡瓦受力强度分析研究

宋艳丽

（武汉交通职业学院，武汉430065）

基于有限元的封隔器卡瓦受力强度分析研究

宋艳丽

（武汉交通职业学院，武汉430065）

本文主要通过有限元分析软件solidworks.对封隔器卡瓦的强度进行分析，计算得出应力分布云图，从而为封隔器卡瓦设计提供依据。

卡瓦 封隔器 应力

引言

封隔器卡瓦的强度直接影响着卡瓦使用寿命。影响卡瓦强度的因素不是单方面的，如卡瓦所受强度、结构、卡瓦齿型、使用的材料等。所以，对封隔器卡瓦实施有限元应力分析，研究它与锥体和套管之间应力的分布云图，有利于跟给封隔器卡瓦的设计方面的优化提供一些指导性质的材料。

1 卡瓦系统有限元分析过程

卡瓦分布圆周角为30°，选择锥体和套管的角度为30°，选用1/12的锥体和套管进行分析，建立分析模型如图1所示。

图1 SOLIDWORKS装配模型

定义卡瓦和锥体用同一种材料35CrMo，弹性模量为2.13×105MPa，泊松比0.286，屈服强度834MPa，抗拉强度981MPa。选择套管材料的钢级为N80，其弹性模量为2.085×105MPa，泊松0.30，屈服强度552MPa，抗拉强度685MPa。

在Mesh Control功能中，把所划分的四边形区域变成Hex（六面体）的Structured（结构化）网格[1]；不可以变成结构化网格的非四边形，变成扫略网格。对这个模型执行撒种子操作，每一颗种子都落在相应网格的节点上。种子越多，表示网格生成将会越密集。对整体的模型给予一个全局种子大小，设置为1.5。然后，再单独对卡瓦牙齿上的四边形区域的边上给定相应种子的数量。在种子撒完后，点击Mesh Part生成网格[2]。

卡瓦受到的是锥体的正压力及摩擦力，以及受到套管的正压力及摩擦力，底端不受任何力，在轴向上的固定完全依靠套管给的摩擦力。所以，底端为自由端。在底端创建一个只允许在水平移动的边界条件。然后，在0.1MPa下，让卡瓦与套管壁接触。等有了静力平衡后，再撤去底端的约束，从而解决出现数值奇异的问题，又不影响真实的静力平衡模拟。如图2所示，它为施加边界条件和载荷模型。

图2 Load模块下的卡瓦系统

2 云图分析结果

如图3所示，最大应力所处的位置最终查询结果为最大应力出现在从上到下数起的第二颗牙齿上，其应力大小为424.6MPa。由于卡瓦材料为35CrMo，其屈服强度为834MPa，所以最大应力的地方的应力值还远远小于屈服强度，故卡瓦在这样的工作条件下是安全的。同时，查出套管上的最大应力值为362.2MPa，而套管材料为N80，屈服强度为552MPa，所以套管也是安全的。

图3 卡瓦系统应力分布云图

3 卡瓦牙齿上的最大应力分布规律

将卡瓦的七个齿分别编上编号，从离卡瓦内锥面最近的第一个齿往下数起，它们的编号依次为1号齿、2号齿、3号齿、4号齿、5号齿、6号齿、7号齿，并用Probe Value的功能把这七个齿上的最大应力分别查出来[3]，如表1所示。

表1 七个齿上的最大应力

由表1可以看出，1号、2号齿的最大应力相差不大，且随着齿编号的增加，齿上的最大应力急剧下降。3号齿上的最大应力与2齿上的最大应力相比发现，3号齿比二号齿的最大应力减少了91MPa，且4号齿还在以这种趋势急剧下降。可见，这与对卡瓦的理论分析存在很大区别。理论分析中，假设卡瓦上的每一齿所受的载荷大小一样，所以可以得出在卡瓦的锚定过程中1号齿和2号齿起主要的锚定作用，也主要是最上面的两齿承受主要的载荷，即使卡瓦牙齿的失效，也一般出现在最上面的两齿上。

4 结论

理论计算和有限元分析有较大的差别。据有限元分析结果可以看出，卡瓦牙齿上的应力在轴向分布上非常不均匀。由分析结果可得，主要承载的牙齿是1号齿和2号齿，6、7号齿几乎不受载荷，经常发生失效的地方集中在前两个齿。所以，设计时可以通过一定的工艺增加前两个齿的强度。

[1]季公明，周先军，平利.封隔器胶筒接触应力的数值模拟分析[J].石油矿场机械，2002，31（5）：46-47.

[2]周先军，平利，季公明.封隔器胶筒接触应力分布有限元计算[J].钻采工艺，2002，25（4）：51-52，57.

[3]谷开昭，王禾丁，胡风涛，郭海萱.影响Y441B型双向锚定封隔器解封力的因素及计算方法[J].石油钻采工艺，1997，19（1）：83-87.

Analysis on the Strength of the Finite Element Packer Force

SONG Yanli
(Wuhan Technical College of Communication, Wuhan 430065)

This paper mainly through the Finite Element Analysis Software Solidworks to analyze the packer's strength, calculated the stress distribution, so as to provide the basis of packer design.

kava, slip packer, stress

湖北省教育厅科技项目（项目编号：B2016562）。