本文關(guān)鍵詞：單金屬密封變形分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化　出處：《西南石油大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：隨著常規(guī)石油與天然氣資源的日益減少,勘探開發(fā)朝著深部地層、沙漠及高原等復(fù)雜環(huán)境發(fā)展,鉆井及開采難度不斷增大,對井下鉆井工具的使用性能提出了更高的要求。單金屬密封作為井下動(dòng)力工具中常用的旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封,具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、抗沖擊振動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn),能夠適應(yīng)高溫高壓、復(fù)雜地質(zhì)條件等工況,因而得到廣泛的應(yīng)用。而在井底惡劣工況下,密封環(huán)受到力、熱載荷的作用,不可避免的會出現(xiàn)密封失效,密封端面產(chǎn)生變形錐度是導(dǎo)致密封失效的主要原因之一。因此,開展單金屬密封力、熱變形及熱力耦合變形的研究,計(jì)算變形狀態(tài)下密封端面流場性能參數(shù)以及優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)參數(shù)對改善單金屬密封性能具有重要意義。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1、根據(jù)單金屬密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對密封結(jié)構(gòu)和密封機(jī)理進(jìn)行了研究,同時(shí)對影響密封性能的參數(shù)進(jìn)行了分析。2、基于有限元分析軟件ANSYS,計(jì)算了單金屬密封端面壓力場分布,研究了初始壓縮量、工況參數(shù)、材料參數(shù)以及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對單金屬密封力學(xué)變形的影響。3、建立了單金屬密封熱力學(xué)分析模型,得到了單金屬密封溫度場分布,研究了材料參數(shù)和工況參數(shù)對密封端面熱變形、熱力耦合變形的影響規(guī)律,并對力變形、熱變形及熱力耦合變形進(jìn)行對比分析。4、建立了力變形狀態(tài)下單金屬密封端面液膜的流體控制方程,得到密封端面徑向液膜壓力分布、泄漏量以及開啟力的計(jì)算公式,通過MATLAB軟件求解計(jì)算,為后期密封性能的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。5、基于響應(yīng)曲面法對單金屬密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,將正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中確定的端面接觸寬度、靜環(huán)高度和斜面傾角作為設(shè)計(jì)變量,以變形錐度與泄漏量作為優(yōu)化目標(biāo),通過BoX-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法建立了響應(yīng)面模型,得到結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的交互作用對密封性能的影響,并根據(jù)F檢驗(yàn)、變異系數(shù)、復(fù)相關(guān)系數(shù)以及殘差正態(tài)概率分布對模型進(jìn)行評估,驗(yàn)證了該模型的可行性;6、通過罰函數(shù)法對二次回歸模型進(jìn)行了尋優(yōu)處理,獲得密封環(huán)在高溫高壓工況的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,并對優(yōu)化前后單金屬密封的性能進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明,密封性能得到有效改善。密封泄漏量降低了 35.98%,端面變形錐度降低了 19.9%,端面最大接觸壓力降低了 11.369%,內(nèi)側(cè)接觸壓力降低了 30.902%,外側(cè)接觸壓力提高了 61.304%,接觸壓力分布更為均勻,同時(shí)端面最高溫度降低了 5.424℃。驗(yàn)證了罰函數(shù)尋優(yōu)法在單金屬密封變形錐度以及泄漏量優(yōu)化中的可行性。
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TE921.2

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本文編號：1311349