基于公理设计的实体管膨胀机理研究

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1、分类号：TH122密级：UDC：编号：201321202087河北工业大学硕士学位论文基于公理设计的实体管膨胀机理研究论文作者：牛志伟学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：机械工程指导教师：檀润华职称：教授江屏副教授资助基金项目：国家自然科学基金DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMechanicalEngineeringSTUDYONTHEMECHANISMOFSOLIDTUBEEXPANSIONBASEDO

2、NAXIOMATICDESIGNbyNiuZhiWeiSupervisor:Prof.TanRunhuaAssociateProf.JiangPingMarch2016ThisworksupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工

3、作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：

4、摘要实体管膨胀技术是石油钻采工艺中一项重要的技术。对于实体管膨胀的力学模型和参数分析的研究以及膨胀工具的研制是实体膨胀管技术的关键。目前大多数的实体管膨胀力学模型是采用刚—塑性力学简化模型，并没有考虑材料的加工硬化性质，从而导致求得的力学模型有一定的不足；对于膨胀过程涉及到的膨胀工具的结构设计参数的优化都是单独对某个参数进行优化来获得更小的膨胀载荷，并没有从整体上对膨胀过程进行分析，没有对参数之间的影响关系进行研究；现有的膨胀工具还有一定的设计缺陷。因此，本文针对以上的问题对实体管膨胀过程，采用幂强化力学模型和拉拔

5、力学理论模型建立实体膨胀管的力学模型，并通过有限元模拟计算，验证该模型的准确性；利用“之字形”映射变换构建膨胀过程的目标与参数关系，利用独立性公理对其进行分析并解耦，找到参数之间的相互影响；利用定径锥的公理设计分析的耦合原因结合对现有变径锥的结构特征分析,完成膨胀锥的创新设计。本文论文的主要内容包括以下几点：1.考虑膨胀管材的加工硬化性质利用幂强化模型，考虑膨胀区与定径区之间的连接部分对于膨胀力的影响，采用拉拔力学理论模型建立了实体管膨胀力学模型，利用有限元计算和实验数据验证模型的正确性。2.对定径锥的膨胀过程，利

6、用“之字形”映射变化建立膨胀过程的功能-参数映射，然后利用前面建立的力学模型来得到设计矩阵，利用独立性公理对其进行分析从而获得膨胀过程中结构参数之间的关系，最后使用ANSYS有限元模拟计算来对其重要的结构设计参数进行优化，得到特定膨胀率下结构参数的最优范围。3.利用对变径锥的专利进行分析得到现有变径锥的结构特征，利用得到的特征信息建立其设计逻辑，然后结合对定径锥的功能-参数的分析结果对变径锥进行功能-结构分析，找到变径锥现有设计耦合的根原因是膨胀过程中实现膨胀和密封之间功能产生耦合，接着利用TRIZ中的相关理论来进

7、行解耦，获得功能独立的新型变径膨胀锥的设计方案，并进行样机试制和地面试验验证其可行性。关键字：实体膨胀管力学模型有限元分析公理设计变径膨胀锥IABSTRACTSolidExpandableTubular(SET)technologyisanimportantprocesstechnologyinoildrilling.Developmentofthemechanicalmodelandparameteroptimizationentitypipeexpansionandresearchthetoolsofexpan

8、sionisthekeytoSET.MostoftheSET’smechanicalmodelistheuseofrigid-plasticmechanicssimplifiedmodeldoesnotconsidertheworkhardeningnatureofmaterial,resultinginmechanicalmodelhassomeshort