Анализ статической и усталостной прочности части системы пакера
Задача:
Выполнить расчет части системы пакера. Требуется получить напряжения и деформации в кольцах компенсатора и убедиться в том, что конструкция работает правильно. Также поставлена задача исследовать модель на предмет возникновения пластических деформаций, и, кроме того, используя модуль fatigue, получить количество циклов до разрушения и коэффициент запаса для 30 000 циклов.
Решение:
Для решения поставленной задачи были использованы следующие продукты ANSYS: Mechanical, DesignModeler, SpaceClaim Direct Modeler и Fatigue. Схема работы конструкции пакера представлена на рисунке 1.
Была рассмотрена работа части системы пакера, которая состоит из колец компенсатора, штока, плашки, сепараторов, корпуса и т. д. Модель представлена на рисунке 2.
Работа модели основана на расширении колец компенсатора, которые мешают штоку проходить слишком далеко в корпус. Благодаря этому шток корректно взаимодействует со следующей деталью пакера. Исходная CAD геометрия, полученная от заказчика, содержит конструкционные отверстия, фаски и другие мелкие особенности, которые не оказывают влияния на решение, но сильно увеличивают требуемое для качественной сетки количество элементов. Для упрощения геометрии был использован ANSYS DesignModeler.
В расчете понадобилась только половина модели, т.к. она симметрична. Одна деталь корпуса не требуется при решении и, соответственно, была подавлена.
Поскольку используется только половина модели, то была приложена только половина нагрузки. В качестве граничных условий в модели использованы опоры frictionless support и fixed support.
Решение разошлось в момент времени t=0.774. Кольца расширились слишком сильно и шток прошел сквозь плашку. Также в кольцах возникла пластическая деформация. Для предотвращения пластической деформации в кольцах и проникания штока в плашку было принято решение изменить геометрию колец с помощью ANSYS SpaceClaim Direct Modeler для придания им большей жесткости и использовать другую сталь для колец: с увеличенным до 300 МПa пределом текучести.
С внесенными изменениями решение было успешно получено. Также в модели теперь совсем нет пластической деформации. Полные перемещения представлены на рисунке 6, а эквивалентные напряжения в кольцах – на рисунке 7.
В расчетах усталостной прочности был использован пульсационный тип нагрузки, т.к. кольца могут только растягиваться (работают в одном направлении); и, поскольку соответствующей информации о материале нет, была использована наиболее консервативная теория среднего напряжения (теория Содерберга).
Таким образом, был проведен расчет параметров напряженно-деформированного состояния в кольцах компенсатора, показавший неработоспособность конструкции пакера в ее текущей конфигурации. Далее модель была скорректирована встроенными инструментами, для достижения требуемых результатов, и был проведен усталостный расчет по минимальному числу циклов до разрушения и коэффициенту запаса для модели.