3NB1300型钻井泵泵阀的研究

摘要

本论文以3NB1300型钻井泵参数为依据,以揭示钻井泵泵阀在高压流体——钻井液中的运动规律以及泵阀的冲击应力分布情况,提高泵阀的使用寿命为目的,从泵阀的运动规律、关闭阶段引起的冲击应力和微细阀隙流场对阀体的影响程度这三个主要方面出发进行研究,对完善钻井泵泵阀的设计、寿命预测以及泵阀的失效判定提供了理论方面的支持。本论文主要从以下几个方面入手:
　　 (1)首先建立阀盘与阀座之间的三维实体模型,构造出描述阀盘关闭阶段的简化模型,建立起泵阀动力学模型,对泵阀的运动特性进行描述,利用Matlab绘制相应的运动曲线。得到了相应锥角下,阀盘运动特性的变化情况,为深入研究泵阀提供了理论依据;同时构造出泵阀冲击过程中的有限元动力学分析模型,将得到的阀盘关闭阶段初始时的速度、加速度作为初始条件或约束条件,完整地分析泵阀与阀座之间的冲击特性;重点研究泵阀冲击时产生的最大应力集中部位的受力特征及其影响程度,提出一种能够有效减缓应力集中的结构该井方案;同时利用最大应力集中部位的最大应力来对钻井泵泵阀的寿命进行预测,并得出相应的循环极限应力寿命曲线图。
　　 (2)利用复合形法对钻井泵泵阀阀盘进行了优化设计。建立优化模型的数学目标函数,通过复合形法对目标函数和约束条件,同时结合有限元方法进行计算,得出优化设计的最优值。
　　 (3)采用流体力学方法,利用FULENT软件对钻井泵泵阀流场进行仿真分析,得到符合实际的阀隙流场分布——压力分布云图和流速分布云图,并对阀盘的影响作简单的分析与认识。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景和研究的意义

1.2 国内外的研究现状

1.3 本论文任务

第2章 钻井泵泵阀动力学模型的建立

2.1 引言

2.2 钻井泵泵阀的结构简述

2.3 泵阀动力学模型的建立

2.3.1 阀盘运动阶段,泵阀的动力学模型的建立

2.3.2 阀盘关闭阶段动力学简化模型的建立

2.3.3 阀盘关闭速度确定的拟和曲线

2.4 阀盘运动的Matlab仿真结果

2.4 本章小节

第3章 钻井泵泵阀的静态分析

3.1 有限元方法简介

3.1.1 有限元法的基本思想

3.1.2 有限元法的特点

3.2 ANSYS软件介绍

3.3 钻井泵泵阀的静态分析

3.3.1 泵阀阀盘的模型建立

3.3.2 泵阀阀盘模型单元的确定

3.3.3 泵阀阀盘模型的网格划分

3.3.4 泵阀阀盘模型的边界条件

3.3.5 泵阀阀盘模型的工况分析

3.3.6 泵阀阀盘模型的求解及结果

3.4 泵阀阀盘的安全性能评价

3.5 本章小结

第4章 钻井泵泵阀的动态分析研究

4.1 阀盘的模态分析

4.1.1 模态分析理论基础

4.1.2 模态提取方法

4.1.3 模态分析步骤

4.1.4 钻井泵泵阀的模态分析结果

4.2 阀盘的谐响应分析

4.2.1 谐响应理论分析基础

4.2.2 ANSYS谐响应的基本分析步骤

4.2.3 阀盘谐响应分析结果

4.3 本章小结

第5章 钻井泵泵阀寿命分析

5.1 泵阀的应力分析

5.2 泵阀材料的S-N曲线

5.3 泵阀的疲劳寿命曲线

5.4 钻井泵泵阀的寿命分析

第6章 钻井泵泵阀优化设计

6.1 有限元中的优化设计

6.1.1 优化设计概述

6.1.2 优化问题中的有限方法

6.1.3 ANSYS软件中的优化步骤

6.2 泵阀优化的数学模型

6.2.1 泵阀阀盘的设计变量

6.2.2 阀盘目标函数的建立

6.2.3 约束条件

6.2.4 阀盘优化设计的数学模型的建立

6.2.5 泵阀阀盘优化设计的流程

6.2.6 有限元计算max{σ1}的方法

6.3 计算实例

第7章 钻井泵泵阀阀隙流场的分析

7.1 FLUENT软件介绍

7.1.1 软件组成及特点

7.1.2 软件协同关系及求解步骤

7.2 FLUENT仿真计算

7.2.1 模型网格划分

7.2.2 条件设置与仿真运算

7.3 计算结果

7.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的学术论文