井口防喷阀有限元分析与结构优化

　　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。

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、实体模型的建立

2.1、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。

1.下法兰　2.侧门　3.阀体　4.上法兰　5.半封闸板　6、12.胶芯　7.闸板轴　8.液压缸　9.轴承　10.丝杆　11.全封闸板　13.密封槽

图1　双闸板防喷阀的结构

2.2、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AN2SYS进行调用。

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。

　　①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。

　　②选择状态变量———将主阀体受到的最大应力作为状态变量。

　　③选择目标函数———将主阀体的体积作为目标函数,求其最小值。

　　④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

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

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