实体膨胀管大塑性变形有限元分析.pdf

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1、2014年第43卷石油矿场机械第3期第43页OILFIELDEQUIPMENT文章编号：1001—3482(20l4)030043—05实体膨胀管大塑性变形有限元分析董成林(中石化中原石油工程有限公司西南钻井分公司，成都610021)摘要：应用有限元ABAQUS软件建立了膨胀管膨胀模型，分析膨胀过程中膨胀率、膨胀锥系统推力、膨胀长度及壁管厚变化的相对关系。分析结果表明：建立的模型可以预测膨胀管膨胀过程的推力大小、膨胀管长度以及厚度变化；当膨胀率分剐为16、2O、24时，膨胀后厚度变化分另·l为6．67、lO．3O、13．16，长度缩短分

2、别约为4．4、5．7、6．2，膨胀过程所需要的推力分别为940、1092、1213kN。关键词：实体膨胀管，厚壁圆筒，分析模型，有限元中图分类号：TE931．2文献标识码：AFiniteElementAnalysisforSeverePlasticDeformationofSolidExpandableTubeDONGCheng—lin(Southzc,estDrillingCompany，SinopecZhongyuanOilfieldServiceCorporation，Chengdu610021，China)Abstract：FE

3、AABAQUEwasappliedtoestablishexpandabletubemodel，andthecorrelationofexpansionrate，expansionconethrust，expansionlengthandwallthickness．Theresultshowsthatthrust，lengthandthicknesscouldbepredictedbyusingtheestablishedmode1．Attheexpandablerateof16，20，and24，expandablethickness

4、changeis6．67，10．30，and13．16；lengthshortenis4．4，5．7，and6．2；andthethrustneededis940，1093，and1213kNrespectively．Keywords：solidexpandabletube；thick—walledcylinder；analysismodel；FEA符号说明p一管与膨胀锥接触面上的压力；￡一膨胀后管的厚度；r一在膨胀区时随管膨胀时管的瞬时半径管的轴向应力；r¨膨胀前管的内表面半径；一管的切向应力；一膨胀前管的外表面半径；一管的径向应力；

5、膨胀后管的内表面半径；F一膨胀推力；￡膨胀过程中管的瞬时厚度；一摩擦因数；一膨胀前管的厚度；膨胀锥锥角，a一9O。一卢。实体膨胀套管技术广泛用于石油钻井行业，其及厚壁圆筒在膨胀锥作用下的塑性变形，而涉及大原理是采用刚性膨胀锥膨胀厚壁圆筒，属于大塑性塑性变形的就更少。近年来，塑性力学理论被用来变形过程。大多学者尝试着研究厚壁圆筒在不同类研究、建立厚壁圆筒在1个圆锥工具下膨胀的分析型载荷下的弹塑性行为。。，只有较少的～些文章涉模型川。该模型表明：膨胀过程所需要的力跟膨胀收稿日期：2013-09l3作者简介：董成林(1971-)，男，河南林州

6、人，工程师，主要从事石油工程及钻井设备管理工作。石油矿场机械未膨胀区域嗽完成膨胀域．率、摩擦因数、膨胀锥的几何形状和管材的屈服强度有关。Karrech等人I建立了1个模型，用于预测膨体胀过程中变形区的应力范围和能量损失。然而，当圆柱体的半径与厚度的比小于10时，由于从膨胀区的内表面~ilfib表面，应力变化剧烈，横截面上的剪应力不能忽视，所以薄壁圆筒的微分方程很难得到。因此，本文以ol93．681TtIT1(7％英寸)、壁厚9．525ram(％英寸)的标准膨胀管为例，重点研究厚壁圆筒实体膨胀管的大塑性变形(其塑性变形可以达到30)。a变

7、形区自由体外表面梯Il几何模型形投影!膨胀管膨胀系统如图1所示。随着膨胀锥在基管中移动，如果管足够长并且达到稳定状态，管中每个部分都通过了完全相同的操作。从膨胀内部取出1个微元体，根据静力平衡及体积不可压缩条件和圣维南原理使应力均匀分布，建立平衡方程。微元b从膨胀管变形区取出来的微元体体的环向和径向应力分析如图2所示。环状微兀体C微无体外表面积<￡<1)＆(r¨

8、则开放式圆筒只有切向和径向应力存2条件假设在。对于封闭圆筒，轴向应力公式可以从静力平衡方程中获得，而切向应力和径向应力的假设跟封闭1)在膨胀管上只有接触应力及膨胀管和膨胀式圆管相同⋯。尽管封闭式圆管从简单的