Метод оценки работоспособности эластомерных деталей с учетом упруговязкопластических свойств материала

• Автор: Ахмед Абуэл Касем Ахмед Мохамед
• Шифр специальности: 05.02.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 136 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 УПРУГОВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕЗИНЫ И СВОЙСТВА ЭЛАСТОМЕРОВ

1.1 Упруговязкопластическая модель резины и алгоритмы определения ее параметров

1.1.1 Упруговязкопластическая модель резины

1.1.2 Алгоритмы определения параметров модели

1.1.3 Учет температурных эффектов и средней нагрузки

1.2 Экспериментальное определение свойств эластомеров

1.2.1 Испытание эластомеров на растяжение

1.2.2 Испытания эластомеров на релаксацию и ползучесть

1.2.3 Испытания по определению динамического модуля эластомеров
1.2.4 Низкотемпературные испытания эластомеров
1.2.5 Исследование усталости эластомеров
2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УПРУГОВЯЗКОПЛАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕЗИНЫ ПРИ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОМ ЧИСЛЕННОМ АНАЛИЗЕ
2.1 Программа Star
2.2 Нагружение давлением полого цилиндра (трубы)
2.3 Расчет фланцевых уплотнений
2.4 Расчет кольцевых уплотнений прямоугольного сечения
2.5 Контактное взаимодействие вязкоупругих цилиндров с учетом трения
2.5.1 Цилиндр сжимается между двумя жесткими
пластинами
2.5.2 Цилиндр сжимается между двумя жесткими пластинами, а затем деформируется давлением
2.5.3 Сравнение результатов
2.6 Прогнозирование утечек
2.6.1 Модель утечки статического эластомерного уплотнения
2.6.2 Определение утечек через уплотнение
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГЛАВНОГО УПЛОТНЕНИЯ КАБЕЛЯ И ГРЯЗЕСЪЕМНИКОВ
3.1 .Проектирование главного уплотнения
3.1.1 Анализ причин отказа и выбор системы уплотнения
3.1.2 Исследование фрикционных свойств материалов уплотнений
3.1.3 Численный анализ поведения уплотнения
3.1.4 Стендовые испытания уплотнений
3.2 Проектирование грязесъемников
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОДУШЕК ТОЛКАТЕЛЯ КАБЕЛЯ И ВЫБОР
ЭЛАСТОМЕРОВ УПЛОТНЕНИЙ
4.1. Проектирование подушек толкателя кабеля
4.1.1 Выбор размера толкателей и формы подушек
4.1.2 Численный (МКЭ) анализ работы подушек
4.1.3 Стенд для натурных испытаний подушек
4.2. Выбор эластомеров для изготовления уплотнений
4.2.1 Результаты экспериментов и их обсуждение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Для большинства действующих нефтяных скважин актуальна задача увеличения количества добываемой части нефти. В том числе решение этой задачи важно и для Египта, имеющего много скважин в Красном море. Технически эта задача решается разными средствами, но первоначально необходимо сделать анализ состояния скважины. Несколько лет назад начались работы по созданию специального кабеля-толкателя для проталкивания инструмента в скважину. Так как скважина находится на километровых глубинах моря, а сама скважина имеет километровые длины вопросы безопасности и надежности чрезвычайно актуальны. В окружении кабеля находится множество эластомерных деталей, часть из которых разрабатывалась: главное
уплотнение, обеспечивающее абсолютную герметичность и минимальную силу трения при проталкивании кабеля; грязесъемники, предохраняющие главное уплотнение от попадания абразивных частиц как со стороны донной воды при проталкивании кабеля, так и со стороны скважины при вытаскивании кабеля; толкатель и его подушки, обеспечивающие требуемую силу проталкивания и вытягивания (при том, что поверхность кабеля покрыта антифрикционным материалом и смочена водой и остатками нефти).
Ставилась задача разработать эти детали, выпустить прототипы и экспериментально подтвердить их соответствие техническим требованиям. Так как требования по температурным и нагрузочным диапазонам были очень узкими, учет упруговязкопластических свойств эластомеров был совершенно необходим.
Целью диссертационной работы является метод оценки работоспособности эластомерных деталей с учетом упруговязкопластических свойств материала.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
• выбор упруговязкопластической модели, наиболее полно соответствующей представлениям о структуре и поведении материала в образцах и реальных деталях, и разработка соответствующих математических выражений;
• разработка алгоритмов для определения параметров модели из данных экспериментов и использования в конечно-элементной программе;
1.2 Экспериментальное определение свойств эластомеров
В этой части главы дается описание экспериментального определения свойств семи эластомеров. Определялись свойства ограниченные только термомеханическим поведением, отраженным в нагрузочных кривых растяжения и сжатия, кривых релаксации и ползучести, динамических свойствах, прочности при растяжении, показателях выносливости, поведении при температурах, близких к стеклованию. Упруговязкопластическая (тиксотропная) модель использовалась для интерпретации результатов и экстраполяции за пределы экспериментального диапазона. Параметры релаксации и ползучести измерялись при сжатии и растяжении стандартных образцов, причем применяемые российские (ГОСТы 10270 , 10269 ) и западные стандарты (ASTM D412 [22], D575 [23]) практически совпадают. Динамический модуль измерялся при изгибе с вращением в соответствии с ГОСТ 10828-75 [14] «Метод определения динамического модуля и модуля внутреннего трения при знакопеременном изгибе с вращением» и при кручении в соответствии с DIN 53 313 [27] и DIN 53 535 [28]. Так как стандарты подчеркивают необходимость учета саморазогрева, возникающего в образцах при динамических испытаниях, использовались специальные методики как мгновенных измерений, так и выравнивания температур за счет регулировки объемной температуры в термокамере.
1.2.1 Испытание эластомеров на растяжение
Испытания на одноосное растяжение стандартных образцов из эластомеров проводили на установке, внешний вид которой приведен на рис. 1.2.1. Образцы имели форму лопаток (рис. 1.2.2), уширенных на концах. Такая форма обеспечивала их разрушение в центральной однородно деформируемой зоне («рабочем участке»). Образцы для испытаний должны быть вырезаны из плоского листа эластомера толщиной не менее 1,3 мм, и не более 3,3 мм. Эта толщина и размеры образцов, а также способы их вырезания определяются стандартом (см. D412). Все образцы должны быть разрезаны так, чтобы продольная часть образца была параллельна зерну.
В результате эксперимента получается кривая нагружения: зависимость инженерное напряжение (сила отнесенная к начальной площади aeng =F/S0) от
относительного удлинения образца S.