可膨胀波纹套管塑形成型及其回弹的有限元分析.PDFVIP

2012 DS Simulia/Abaqus 中国区用户大会，10 月，2012，九寨沟，中国 可膨胀波纹套管塑形成型及其回弹的有限元分析 沈新普, Halliburton China; 沈国阳, University of Houston, TX, USA 摘要 对可膨胀波纹管的塑形成型进行详细力学分析不仅能够确定加工精度，而且能够有效确定其后续的 承载能力。本文通过有限元数值模拟，得出了1）可膨胀波纹套管在经过塑形成型后的塑形应变分 布；2 ）位移分布；3 ）回弹位移的分布及最大值。这些结果为进一步的套管弹塑形承载能力分析提 供了基础。 1. 引言 作为老化、破损套管修复的主要手段之一，可膨胀套管早在 1950 年代就得到了应用(Murchey and Zukia, 1955) 。近年来，随着超深井的普及，可膨胀套管不再仅仅是一种套管修复手段，而且成为了 钻井时堵漏的一种形式。除此之外，可膨胀套管的使用还可以大大缩小井口尺寸。因此，可膨胀套 管目前正在得到越来越广泛的应用(Vincent and Jennings, 1962; Kemp, 1964; Robert and Fischer, 2003; Neely, 1984; Stewart et al, 1999) 。 可膨胀波纹套管在安装前先压缩成波纹状截面，以缩小截面的最大尺寸，以便顺利置入井孔。 在这个成型过程中，套管截面上的材料点经历了明显的塑形大变形。由于金属材料的硬化特性，对 塑性加载历史的精确表述是准确评价其塑形承载能力的基础。因此，有必要对这一成型过程进行详 细的数值模拟。 塑形加工之后的回弹对塑性成型的精度有重要影响。加工件的最终尺寸取决于加工量和回弹变 形总和。 本文采用 Abaqus 工具，对给定截面尺寸的一款可膨胀波纹套管做了数值分析。基于模型的对 称性，计算时采用了简化模型。首先是采用了平面应变模型。其次是采用了 1/4 的模型，利用对称 性，进一步简化了模型。 2. 有限元模型 本次计算模型中，包括了凹模和凸模两部分模具，如图 1 所示。其中，待加工波纹管部分为弹塑性 材料结构，模具采用解析刚体建模。在模具和待加工件之间，设置了接触点对。 上部模具- 凸模 侧面模具-凹模 图1、模具和工件装配图 几何尺寸：待加工件的外径为0.335米，壁厚0.01米。侧模的圆弧部分内直径0.29米，圆弧部分高 0.06548米，上面接一段与之相切的直段，高度为0.06242米。上部凸模的圆弧部分直径0.072米。侧 模和待加工件二者的圆心距离为0.028米。 1 2012 DS Simulia/Abaqus 中国区用户大会，10 月，2012，九寨沟，中国 2.1 模型网格 本次计算对解析刚体部分不分网。待加工波纹管部分沿厚度方向设置了4层网格。总共用了408个4 节点减缩积分单元CPE4R、518个节点对模型进行了离散。离散后的模型见图2所示。 图. 2—模型网格。 2.2 材料参数取值 本次计算选用的材料参数取值列于表1和表2之中。 表 1: 弹性参数 Youngs Poissons Material modulus/Pa ratio STEEL 1.12E+11 0.026 表2: 弹塑性硬化软化模型参数 强度极限/Pa 应变值 279000000 0