膨胀波纹管的仿真研究与结构优化

论文摘要

本文针对地质钻探领域使用的Φ108/96规格膨胀波纹管进行了管材材质选择、截面形状设计,利用ANSYS软件进行有限元分析、优选出最优截面形状,在最优截面形状下研究厚度、波峰半径和波谷半径对膨胀波纹管膨胀效果的影响。然后从力学、质点位移的角度分析膨胀波纹管在膨胀过程中的不同阶段不同受力、位移情况,最后对所选的最佳截面按照前文所得的规律进行优化改进,探究最佳截面,为膨胀波纹管的加工和现场应用提供理论依据。考虑到地质勘探的特殊性,决定在常用管材中选择屈强比低、均匀变形能力强、价格便宜、易于加工的膨胀管材。对满足上述条件的一些管材,通过拔管、热处理、膨胀这三个步骤,最终选择了编号为KP02的管材作为膨胀管材。该材料的抗拉极限强度为520 MPa、弹性模量为200GPa、泊松比为0.3、屈服强度为185 MPa。在抗内外压强度条件下(计算得壁厚t≥3.24mm,取t=3.5mm和4mm),从膨胀管截面的几何关系出发,计算并设计了四瓣梅花形截面A、B、六瓣梅花形截面C、D、八瓣梅花形截面E、F、十瓣梅花形截面G这七种不同形状的Φ108/96规格的膨胀波纹管截面。其次将所设计的四瓣梅花形截面A、六瓣梅花形截面D、八瓣梅花形截面F、十瓣梅花形截面G的CAD图形导入ANSYS,建立膨胀波纹管的平面模型。然后对膨胀压力进行选择,该压力能使所选截面膨胀后的的最大、最小外径均落在原管外径周围。经过反复模拟最后确定,所选材料的膨胀力为12MPa。接着对A、D、F、G截面进行模拟,结果表明六瓣梅花形的D的最小外径102.30mm最大,通径能力最好,结合其不错的椭圆度9.90%,综合考虑选择六瓣梅花形为最佳截面形状。在最佳截面形状的基础上,设计了壁厚为4mm和4.5mm的膨胀波纹管截面D1、D2,模拟得到结论:随着壁厚增加,椭圆度急剧增大、最小外径减小。在六瓣梅花形和壁厚3.5mm的基础上,设计不同的峰谷半径的截面C1,模拟得到峰谷半径差值越小,椭圆度越小,最小外径越大。最后采用力学、质点位移分析了膨胀波纹管的膨胀过程。针对上文所选择的D截面,根据所总结的膨胀波纹管选择规律,对其继续优化,最终得到峰谷半径的差值越接近壁厚,那么膨胀效果越好,并得到D截面为最佳截面。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 项目研究背景及意义
•   1.2 国内外技术研究现状
•     1.2.1 膨胀波纹管国外现状
•     1.2.2 膨胀套管国外现状
•     1.2.3 膨胀筛管国外现状
•     1.2.4 膨胀套管国内现状
•     1.2.5 膨胀波纹管国内现状
•     1.2.6 膨胀筛管国内现状
•     1.2.7 膨胀波纹套管的模拟仿真
•   1.3 主要研究内容及技术路线
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 第2章 膨胀波纹管截面设计
•   2.1 膨胀波纹管的材质选择
•     2.1.1 实验选择管材
•     2.1.2 机械性能测试
•     2.1.3 膨胀波纹管的成型工艺
•   2.2 膨胀波纹管截面形状参数设计
•     2.2.1 截面形状参数计算
•     2.2.2 截面设计
•   2.3 本章小结
• 第3章 膨胀波纹管膨胀过程有限元模拟
•   3.1 有限元简介
•   3.2 金属弹塑性理论
•     3.2.1 屈服准则
•     3.2.2 应变增量的计算
•     3.2.3 强化准则
•   3.3 关键参数的定义
•   3.4 模拟的前提
•   3.5 建立模型
•     3.5.1 导入模型
•     3.5.2 定义材料属性并划分单元格
•     3.5.3 施加约束并加载
•   3.6 结论分析
•     3.6.1 膨胀效果的评价标准
•     3.6.2 膨胀压力
•     3.6.3 模拟结果分析
•   3.7 本章小结
• 第4章 膨胀过程分析及结构优化
•   4.1 膨胀过程分析
•     4.1.1 静力平衡阶段
•     4.1.2 膨胀阶段
•     4.1.3 膨胀完成阶段
•     4.1.4 膨胀过程综合分析
•   4.2 截面参数优化
•   4.3 本章小结
• 第5章 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赵衡

导师: 杨甘生,阮海龙

关键词: 膨胀波纹管,截面设计,模拟,优化

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 地质学,石油天然气工业,矿业工程,计算机软件及计算机应用

单位: 中国地质大学(北京)

基金: 国土资源部公益性科研项目“马坑矿区复杂地层膨胀管技术的应用研究”

分类号: TP391.9;P634.3

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000576

总页数: 63

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