采用PRO/E與ANSYS的無縫連接技術,對某型號的雙閘板防噴閥閥體進行了三維實體建模和有限元分析,獲得了閥體的應力分布規律,提出了優化設計方案。

1、概述

　　井口防噴閥的下法蘭端面通過螺栓及密封鋼圈安裝在石油鉆采井口四通上,當地層壓力異常升高,出現井噴跡象或井噴時,無論井內是否有油管,即井內空井或環形空間時,都可以通過手輪或液壓驅動合攏閘板實現封井,并防止井噴。由于防噴閥閥體處在高壓工況下,因此,在新閥體的開發設計和老產品的結構改進中,都離不開對閥體的應力分布規律的掌握。本文結合三維造型軟件PRO /E進行實體的建模,并利用PRO /E與有限元分析軟件ANSYS的通道,將其模型導入ANSYS進行強度分析并提出優化方案。

2、實體模型的建立

2.1、防噴閥的結構及工作原理

　　防噴閥(圖1)由上部連接法蘭、閥體、下端連接法蘭、側門及密封組件、絲杠、閘板軸(螺母)傳動組件、閘板及密封膠芯等組成。在閥體中間部分,裝有兩層密封閘板,上層為半封(封閉油管與套管的環型空間)閘板密封膠芯總成,下層為全封(封閉空井)閘板密封膠芯總成。作業過程中,如果出現壓力異常高的情況,需要關井以確保安全。此時,通過液壓或手輪推動閘板合攏,實現全封或半封。

1.下法蘭　2.側門　3.閥體　4.上法蘭　5.半封閘板　6、12.膠芯　7.閘板軸　8.液壓缸　9.軸承　10.絲桿　11.全封閘板　13.密封槽

圖1　雙閘板防噴閥的結構

2.2、PRO/E建模〔1〕

　　在PRO/E建模中先進行單位設置,一般采用國際單位制以確保導出的尺寸和實體的基本物理量屬于同一單位制,避免了煩瑣的單位量綱換算。結合防噴閥的工作特性,在不影響強度分析結果精確性的情況下,建模過程中,進行一定程度的簡化,只取其中的閥體和上下端的法蘭進行分析。建模過程中使用拉伸、旋轉、創建參照平面和鏡像等工具(圖2a) ,并保存為IGES格式的文件,便于AN2SYS進行調用。

4、結構優化

　　為了降低防噴閥的失效機率,提高其運行可靠性,應用ANSYS中的優化模塊對其結構進行優化分析,調整主閥體各部分重要尺寸,達到減小最大應力、減輕質量和節省材料的目的。

　　①選擇設計變量———將主閥體的外形尺寸和內部通徑及雙閘板部分尺寸作為設計變量。

　　②選擇狀態變量———將主閥體受到的最大應力作為狀態變量。

　　③選擇目標函數———將主閥體的體積作為目標函數,求其最小值。

　　④進行優化分析———檢驗合理性。

　　優化結果如表1。

表1　優化前、后模型屬性對比

5、結語

　　通過CAD 和CA E技術的有效結合, 成功地對雙閘板防噴閥進行了三維實體分析, 簡化了設計過程, 縮短了開發周期以及提高了生產效率及設計的可靠性, 既提高了產品質量, 又降低了成本。

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