连续油管注入头结构仿真分析与参数优化研究

发布时间：2017-03-30 05:10

  本文关键词：连续油管注入头结构仿真分析与参数优化研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：连续油管作业技术已广泛应用于石油工程中的采油、钻井和测井等领域。注入头是连续油管作业机最重要的组成之一,直接用于夹持连续油管,其结构的合理与否将直接影响着连续油管的使用寿命。现场连续油管作业机注入头在使用过程中,会出现夹紧装置滚动系统的失效造成滚轮的损坏、井口防喷装置动密封圈的失效、无支撑段油管被挤压折断、注入头链条系统的磨损或断裂,驱动轴的断裂失效以及滚筒与液压控制系统的不稳定造成连续油管速度起下不均匀等问题,严重影响了连续作业机的作业质量。因此,本文对连续油管注入头的关键部件进行了结构性能分析和参数优化研究,为提高注入头作业性能和效率,延长使用寿命,提供理论支撑。具体研究内容如下：(1)对注入头的结构组成及工作原理工作受力进行分析,对夹持力作了非均匀分布假设,利用数学函数公式及弹性力学理论,建立了夹持应力的表达式,为后续夹块结构分析与优化提供理论支撑。(2)通过有限元分析夹块的截面形状,圆弧角、夹持方式、摩擦系数、开槽形状及开槽数目对夹持性能的影响,建立夹持性能指标和评价方法,确定了影响因素的合理取值区间,并优选出夹块开槽的形状,为夹块槽形结构的参数优化做准备。(3)建立槽型夹块夹持分析的参数模型,利用正交试验方法对槽结构尺寸参数进行了敏感性分析,获得了夹持性能与槽型夹块结构参数的影响关系,缩小了参数的取值区间,在此基础上对槽型夹块结构尺寸参数进行多目标优化,得到了槽型夹块的最佳结构尺寸。(4)对注入头链条系统进行了ADAMS动力学仿真分析,获得了紧边啮合轮齿与滚子的接触力变化曲线,并作为轮齿与滚子静强度分析的载荷依据,有限元分析得到了啮合轮齿接触应力变化规律。(5)利用有限元软件完成了轮齿结构参数敏感性分析,通过正交试验方法得到了轮齿结构的最优尺寸组合。上述研究为提高注入头结构的工作性能提供了新的分析思路和优化方法,对注入头的结构设计具有一定的指导意义。
【关键词】：连续油管 注入头 结构分析 正交试验设计 参数优化
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE931.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 研究背景及目的意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-14
• 1.2.1 国外研究现状10-12
• 1.2.2 国内研究现状12-14
• 1.3 研究内容14-15
• 1.4 技术路线15
• 1.5 创新点15-16
• 第2章 连续油管注入头结构及力学分析16-30
• 2.1 连续油管注入头结构特点16-19
• 2.1.1 注入头结构组成16-18
• 2.1.2 注入头工作原理18
• 2.1.3 连续油管注入头的基本参数18-19
• 2.2 注入头关键部件受力分析19-22
• 2.2.1 夹持轴向力19-20
• 2.2.2 链条系统的摩擦力20
• 2.2.3 链条牵引力20-21
• 2.2.4 案例计算21-22
• 2.3 夹块夹持连续油管的应力分析22-29
• 2.3.1 复变函数表示连续油管的应力23-27
• 2.3.2 理论解与有限元解比较27-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第3章 注入头夹块结构参数对夹持性能影响规律研究30-48
• 3.1 夹块截面形状对夹持性能的影响30-33
• 3.1.1 夹持截面形状30-31
• 3.1.2 截面形状仿真分析31-33
• 3.2 圆弧角对夹持性能影响33-35
• 3.3 摩擦系数对夹持性能的影响35-39
• 3.3.1 夹持面间摩擦系数特点35-36
• 3.3.2 摩擦系数对不同夹持方式的影响36-37
• 3.3.3 杂质对摩擦系数影响的试验37-39
• 3.4 夹块内径对夹持性能的影响39-42
• 3.5 夹块开槽对夹持性能的影响42-47
• 3.5.1 未开槽夹块对连续油管的有限元分析42-43
• 3.5.2 开槽夹块结构分析43-45
• 3.5.3 槽数对连续油管的应力影响45-47
• 3.6 本章小结47-48
• 第4章 注入头夹块梯形槽结构尺寸参数优化研究48-60
• 4.1 结构优化设计方法48-49
• 4.2 基于PYTHON的夹块梯形槽参数化49-51
• 4.2.1 有限元分析模型参数化49
• 4.2.2 夹块梯形槽的参数化49-51
• 4.3 夹块梯形槽优化算法描述51-52
• 4.4 夹块梯形槽试验设计52-57
• 4.4.1 正交试验流程52-53
• 4.4.2 制定正交试验表53-54
• 4.4.3 参数敏感性54-57
• 4.5 夹块梯形槽结构优化57-59
• 4.5.1 全因子试验设计57-58
• 4.5.2 优化结果分析58-59
• 4.6 本章小结59-60
• 第5章 注入头夹块材料对夹持性能影响研究60-69
• 5.1 组合材料夹块夹持油管力学理论依据60-61
• 5.2 常规和组合材料夹块夹持有限元分析61-64
• 5.2.1 有限元建模61
• 5.2.2 常规和组合材料夹块夹持性能对比61-64
• 5.3 组合材料夹块结构影响因素分析64-68
• 5.3.1 端面倒圆角对夹持影响64-65
• 5.3.2 环向倒圆角对夹持影响65-66
• 5.3.3 内压对夹持影响66-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第6章 注入头链条传动系统结构性能仿真与优化69-83
• 6.1 链条与链轮动力学仿真分析69-73
• 6.1.1 建立动力学仿真模型69-70
• 6.1.2 链条与链轮ADAMS动力仿真分析70-73
• 6.2 滚子链条啮合强度分析73-76
• 6.2.1 链轮与链条滚子几何模型73-74
• 6.2.2 有限元分析模型建立74-75
• 6.2.3 有限元仿真结果与分析75-76
• 6.3 轮齿结构强度参数敏感性分析76-82
• 6.3.1 轮齿结构参数及水平确定76-80
• 6.3.2 参数交互作用对强度的影响80-81
• 6.3.3 轮齿结构参数优化81-82
• 6.4 本章小结82-83
• 第7章 结论与展望83-85
• 7.1 结论83-84
• 7.2 展望84-85
• 致谢85-86
• 参考文献86-89
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果89

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