单金属密封变形分析与结构优化

发布时间：2017-12-20 08:07

  本文关键词：单金属密封变形分析与结构优化　出处：《西南石油大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：随着常规石油与天然气资源的日益减少,勘探开发朝着深部地层、沙漠及高原等复杂环境发展,钻井及开采难度不断增大,对井下钻井工具的使用性能提出了更高的要求。单金属密封作为井下动力工具中常用的旋转动密封,具有结构简单、占用空间小、抗冲击振动能力强等特点,能够适应高温高压、复杂地质条件等工况,因而得到广泛的应用。而在井底恶劣工况下,密封环受到力、热载荷的作用,不可避免的会出现密封失效,密封端面产生变形锥度是导致密封失效的主要原因之一。因此,开展单金属密封力、热变形及热力耦合变形的研究,计算变形状态下密封端面流场性能参数以及优化密封结构参数对改善单金属密封性能具有重要意义。本论文的主要研究内容如下:1、根据单金属密封的结构特点,对密封结构和密封机理进行了研究,同时对影响密封性能的参数进行了分析。2、基于有限元分析软件ANSYS,计算了单金属密封端面压力场分布,研究了初始压缩量、工况参数、材料参数以及主要结构参数对单金属密封力学变形的影响。3、建立了单金属密封热力学分析模型,得到了单金属密封温度场分布,研究了材料参数和工况参数对密封端面热变形、热力耦合变形的影响规律,并对力变形、热变形及热力耦合变形进行对比分析。4、建立了力变形状态下单金属密封端面液膜的流体控制方程,得到密封端面径向液膜压力分布、泄漏量以及开启力的计算公式,通过MATLAB软件求解计算,为后期密封性能的优化奠定了基础。5、基于响应曲面法对单金属密封结构进行优化,将正交实验设计中确定的端面接触宽度、静环高度和斜面倾角作为设计变量,以变形锥度与泄漏量作为优化目标,通过BoX-Behnken实验设计方法建立了响应面模型,得到结构参数之间的交互作用对密封性能的影响,并根据F检验、变异系数、复相关系数以及残差正态概率分布对模型进行评估,验证了该模型的可行性;6、通过罚函数法对二次回归模型进行了寻优处理,获得密封环在高温高压工况的优化结构参数组合,并对优化前后单金属密封的性能进行了对比分析,结果表明,密封性能得到有效改善。密封泄漏量降低了 35.98%,端面变形锥度降低了 19.9%,端面最大接触压力降低了 11.369%,内侧接触压力降低了 30.902%,外侧接触压力提高了 61.304%,接触压力分布更为均匀,同时端面最高温度降低了 5.424℃。验证了罚函数寻优法在单金属密封变形锥度以及泄漏量优化中的可行性。
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TE921.2

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本文编号：1311349