專(zhuān)利名稱(chēng)：利用有限元分析設(shè)計(jì)防噴器密封件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案總體上涉及用于油氣工業(yè)的防噴器(blowout preventer)。具體地，所選擇的實(shí)施方案涉及設(shè)計(jì)和制造防噴器密封件的方 法，其中密封件可包括彈性體和剛性材料。
背景技術(shù)：
井控是油氣勘探的重要方面。例如，在鉆井時(shí)，必須將安全裝置放置 于合適的位置，以避免伴隨鉆井作業(yè)發(fā)生的意外情況對(duì)人員造成傷害以及 對(duì)設(shè)備造成破壞。
鉆井包括穿透各種地下地質(zhì)構(gòu)造或"層"。有時(shí)，井筒將穿透地層壓力 明顯高于井筒中壓力的層。在出現(xiàn)這種情況時(shí)稱(chēng)井已溢流。伴隨溢流出現(xiàn) 的壓力升高通常是由地層流體(可以是液體、氣體或它們的組合)流入井筒所 引起。壓力較高的溢流往往從進(jìn)入井筒的位置向井口蔓延(從高壓區(qū)域向低 壓區(qū)域)。如果允許溢流到達(dá)地面，則可能將鉆井液、鉆具和其它鉆井結(jié)構(gòu) 件從井筒中噴出。這種"井噴"可造成鉆井設(shè)備(包括例如鉆機(jī))的嚴(yán)重破壞和 鉆機(jī)操作人員的重大傷亡。
鑒于井噴的風(fēng)險(xiǎn)，將稱(chēng)為防噴器的裝置安裝在位于地表的井頭上方或 者在深水鉆井布置中安裝于海底，以有效地密封井筒，直至可采取積極的 措施控制溢流?？善饎?dòng)防噴器，以使溢流得到充分地控制并"循環(huán)"離開(kāi) 系統(tǒng)。防噴器有數(shù)種，其中最常見(jiàn)的為套筒式環(huán)空防噴器(annular blowoutpreventer)(包4舌球形防噴器)和閘才反式防噴器(ramblowoutpreventer)。將對(duì)這 些類(lèi)型的防噴器進(jìn)行更為詳細(xì)地討論。
套筒式環(huán)空防噴器通常使用具有金屬插入物的大型環(huán)形橡膠或彈性密 封件，將該密封件稱(chēng)為"密封膠芯(packingunits)"?？善饎?dòng)防噴器內(nèi)的密封膠 芯，以包圍鉆桿和鉆具，從而完全密封鉆桿或鉆具與井筒之間的"環(huán)空"。在 密封膠芯的孔內(nèi)沒(méi)有鉆桿或鉆具的情況下，可壓縮密封膠芯以使密封膠芯 的孔完全閉合。因而，套筒式環(huán)空防噴器的完全閉合的密封膠芯所起的作 用類(lèi)似于截止閥。通常，密封膠芯密封鉆桿周?chē)?，其中可手?dòng)或借助機(jī)械 快速壓縮密封膠芯，以作用于其周?chē)拿芊饧?，?lái)防止井壓造成井噴。
授予Knox并轉(zhuǎn)讓予本發(fā)明的受讓人的美國(guó)專(zhuān)利No. 2,609,836中披露 了具有密封膠芯的套筒式環(huán)空防噴器的實(shí)例，在此引入其全文作為參考。 Knox的密封膠芯包括多個(gè)嵌于彈性體中的金屬插入物，其中金屬插入物與 彈性體完全結(jié)合。金屬插入物在從密封膠芯中軸延伸至井筒的徑向平面內(nèi) 以大致為環(huán)形的方式隔開(kāi)。當(dāng)徑向壓縮密封膠芯進(jìn)行密封來(lái)抵御井壓時(shí)， 插入物為彈性體提供結(jié)構(gòu)支撐。在圍繞鉆桿壓縮密封膠芯或壓縮密封膠芯 本身時(shí)，徑向向內(nèi)擠壓彈性體，使得金屬插入物也徑向向內(nèi)移動(dòng)。
現(xiàn)參考圖1，示出了包括外殼102的套筒式環(huán)空防噴器101。套筒式環(huán) 空防噴器101具有從其中穿過(guò)與井筒103相稱(chēng)的孔120。然后'圍繞孔120和 井筒103將密封膠芯105設(shè)置于套筒式環(huán)空防噴器101內(nèi)。密封膠芯105 包括彈性環(huán)形體107和多個(gè)金屬插入物109。金屬插入物109設(shè)置在密封膠 芯105的彈性環(huán)形體107內(nèi)，所述金屬插入物109以大致為環(huán)形的方式分 布并在從井筒103延伸的徑向平面內(nèi)隔開(kāi)。此外，密封膠芯105包括與防 噴器101的孔120同心的孔111。
通過(guò)泵入活塞腔112的開(kāi)口 113的流體，起動(dòng)套筒式環(huán)空防噴器101。 流體對(duì)活塞117施加壓力，由此使活塞117向上運(yùn)動(dòng)。隨著活塞117向上運(yùn) 動(dòng)，活塞117經(jīng)由楔形面118將力傳遞給密封膠芯105。從楔形面118傳遞 給密封膠芯105的力向上朝向套筒式環(huán)空防噴器101的可拆卸頂蓋119并 向內(nèi)朝向井筒103和套筒式環(huán)空防噴器101的中軸。由于密封膠芯105抵 靠套筒式環(huán)空防噴器101的可拆卸頂蓋119，因而密封膠芯105沒(méi)有因?yàn)榛?塞117傳遞給它的力而向上移動(dòng)。然而，密封膠芯105由于所傳遞的力而 向內(nèi)移動(dòng)，由此將密封膠芯105壓向套筒式環(huán)空防噴器101的井筒103的中軸。當(dāng)鉆桿處于孔120內(nèi)時(shí)，在充分的徑向壓縮下，密封膠芯105密封
鉆桿周?chē)?，進(jìn)入"閉合位置"。圖5示出了閉合位置。當(dāng)沒(méi)有鉆桿存在時(shí)， 在充分的徑向壓縮下，密封膠芯105完全封閉孔111。
當(dāng)流體泵入活塞腔112的開(kāi)口 115而不是開(kāi)口 113時(shí)，套筒式環(huán)空防 噴器101進(jìn)行類(lèi)似的反向運(yùn)動(dòng)。流體將力向下傳遞給活塞117,從而活塞117 的楔形面118允許密封膠芯105徑向張開(kāi)至"開(kāi)放位置"。圖4示出了開(kāi)放 位置。此外，套筒式環(huán)空防噴器101的可拆卸頂蓋119使得能夠觸及密封 膠芯105,從而可在需要的情況下維護(hù)或更換密封膠芯105。
現(xiàn)同時(shí)參考圖2、 3A和3B，更詳細(xì)地示出了用于套筒式環(huán)空防噴器 101的密封膠芯105和金屬插入物109。在圖2中，密封膠芯105包括彈性 環(huán)形體107和多個(gè)金屬插入物109。金屬插入物109以大致為環(huán)形的方式分 布并在密封膠芯105的彈性環(huán)形體107內(nèi)于徑向平面中隔開(kāi)。圖3A和3B 示出了金屬插入物109的實(shí)例，所述金屬插入物109可設(shè)置并嵌于密封膠 芯105的彈性環(huán)形體107內(nèi)。通常，金屬插入物109嵌入彈性環(huán)形體107 并與彈性環(huán)形體107完全結(jié)合，從而為密封膠芯105提供結(jié)構(gòu)支撐。環(huán)形 體107和金屬插入物109之間的結(jié)合限制了環(huán)形體107和插入物109之間 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可知所述運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致彈性環(huán)形體107內(nèi)的彈性體失效。對(duì)密封 膠芯內(nèi)彈性體和金屬插入物之間結(jié)合的更多討論可參見(jiàn)授予Simons并轉(zhuǎn)讓 予本發(fā)明的受讓人的美國(guó)專(zhuān)利No. 5,851,013,在此引入其全部?jī)?nèi)容作為參 考。
現(xiàn)參考圖4和圖5,示出了處于開(kāi)放位置(圖4)和處于閉合位置(圖5) 的密封膠芯105的實(shí)例。當(dāng)處于開(kāi)放位置時(shí)，密封膠芯105松開(kāi)，沒(méi)有受 壓而密封鉆桿151周?chē)?，使得在密封膠芯105和鉆桿151之間形成間隙， 從而允許流體通過(guò)環(huán)空。如圖5所示，當(dāng)處于閉合位置時(shí)，密封膠芯105 受壓而密封鉆桿周?chē)?51，從而不允許流體通過(guò)環(huán)空。因而，防噴器可閉合 密封膠芯105進(jìn)行密封，來(lái)抵御下方發(fā)生井噴所造成的井筒壓力。
類(lèi)似地，球形防噴器使用具有金屬插入物的大型半球形彈性密封件作 為密封膠芯。參考圖6，示出了圍繞井筒軸103設(shè)置的球形防噴器301的實(shí) 例。圖6選自美國(guó)專(zhuān)利No. 3,667,721(授予Vujasinovic，引入其全文作為參 考)。因而，球形防噴器301包括通過(guò)多個(gè)螺栓311可拆卸地固定在一起的 下部外殼303和上部外殼304,其中外殼構(gòu)件303、 304可具有曲面球形內(nèi)表面。密封膠芯305設(shè)置于球形防噴器301內(nèi)，且通常包括相應(yīng)于外殼構(gòu) 件303、 304的曲面球形內(nèi)表面的曲面彈性環(huán)形體307和多個(gè)曲面金屬插入 物309。因此，金屬插入物309以大致為環(huán)形的方式設(shè)置在環(huán)形體307內(nèi)并 在從井筒103的中軸延伸的徑向平面內(nèi)隔開(kāi)。
另外，閘板式防噴器也可包括具有金屬插入物的彈性密封件。大型密 封件通常設(shè)置于防噴器閘板之上或設(shè)置于防噴器閘板的前緣之上以提供其 間的密封?，F(xiàn)參考圖7,示出了包括外殼703、防噴器閘板705和頂部密封 件711的閘板式防噴器701。對(duì)于圖7,僅示出了一個(gè)防噴器閘板705，然 而通常將兩個(gè)相應(yīng)的防噴器閘板705設(shè)置于井筒103彼此相對(duì)的兩側(cè)(示于 圖8)。閘板式防噴器701包括從其中穿過(guò)的孔720、固定于外殼703的閥蓋 707和活塞驅(qū)動(dòng)桿709,且圍繞井筒103的中軸設(shè)置。桿709連接在防噴器 閘板705上，可驅(qū)動(dòng)桿709朝向井筒103向內(nèi)移動(dòng)。防噴器閘板705可為 鉆才干閘才反(pipe ram)或變徑閘4反(variable bore ram)、剪切閘斧反(shear ram)或全 封閉閘板。起動(dòng)時(shí)，管狀和變徑閘板移動(dòng)，從而接合并包圍鉆桿和/或鉆具， 以密封井筒。與之相對(duì)，剪切閘板接合并物理剪切井筒103中的任意測(cè)井 電纜、鉆桿和/或鉆具，而全封閉閘板在不存在障礙物的情況下封閉井筒103 。 對(duì)閘板式防噴器的更多討論可參見(jiàn)授予Berckenhoff并轉(zhuǎn)讓于本發(fā)明的受讓 人的美國(guó)專(zhuān)利6,554,247，在此引入其全部?jī)?nèi)容作為參考。
現(xiàn)參考圖8，更詳細(xì)地示出了用于閘板式防噴器701的防噴器閘板 705A、 705B和頂部密封件711A、 711B。如圖所示，頂部密封件711A、 711B 分別設(shè)置在防噴器閘板705A、 705B的凹槽713內(nèi)，并密封防噴器閘板705 頂部和外殼703之間(示于圖7)。如圖所示，防噴器閘板705A為具有頂部 密封件711A的上剪切防噴器閘板，防噴器閘板705B為具有頂部密封件 711B的下剪切防噴器閘板。起動(dòng)時(shí)，防噴器閘板705A、 705B移動(dòng)，從而 接合，其中剪切件(shear)715A接合在剪切件715B的上方，以物理剪切鉆桿 151。當(dāng)防噴器閘板705A、 705B移動(dòng)時(shí)，頂部密封件711A、 711B密封外 殼703,以避免外殼703和防噴器閘板705A、 705B之間的任何泄壓或泄流。
現(xiàn)參考圖9A和9B，更詳細(xì)地示出了頂部密封件711A、 711B。具體如 圖9A所示，頂部密封件711A、 711B包括彈性帶751、連接于彈性帶751 各端的彈性部分(elastomeric segment)753、設(shè)置在各彈性部分753內(nèi)的金屬 插入物755。防噴器閘板705A(即上剪切防噴器閘板)的頂部密封件711A還可包括連接于彈性部分753之間的支撐結(jié)構(gòu)件757。如圖9B中的截面圖所 示，設(shè)置在彈性部分753內(nèi)的金屬插入物755具有H形截面。金屬插入物 755的H形截面為彈性部分753提供支撐和最佳的剛度。此外，應(yīng)當(dāng)理解 的是，頂部密封件711A、 711B可與鉆桿閘板、全封閉閘板或剪切閘板(示 于圖8)—同使用。
現(xiàn)參考圖10,示出了用于閘板式防噴器(例如圖7的701)的具有頂部密 封件和閘板封隔器(rampacker)717A的防噴器閘板705A。圖IO選自美國(guó)公 布No. US 2004/0066003 Al(授予Griffen等，在此引入其全文作為參考)。取 代剪切閘板(示于圖7和圖8)，圖10示出了具有變徑閘板封隔器717A的鉆 桿閘板組件，該變徑閘板封隔器717A包括彈性體和金屬。如圖所示，變徑 閘板封隔器717A包括半橢圓形彈性體761，金屬封隔器插入物763模制于 該彈性體761中。金屬封隔器插入物763布置在彈性體761的孔765的周 圍。如以上針對(duì)鉆桿閘板或變徑閘板所述，起動(dòng)時(shí)，閘板封隔器717A(和與 閘板封隔器717A相對(duì)設(shè)置的相應(yīng)閘板封隔器一起)移動(dòng)，從而接合并包圍 設(shè)置于孔765中的鉆桿和/或鉆具，以密封井筒。
對(duì)于防噴器中包括彈性體和金屬的任意密封機(jī)構(gòu)(例如環(huán)形和球形防 噴器中的密封膠芯以及閘板式防噴器中的頂部密封件和閘板封隔器)，可施 加負(fù)載以承受防噴器各部件之間的壓力。例如，對(duì)于圖1所示的套筒式環(huán) 空防噴器，當(dāng)流體壓力從活塞117和楔形面118傳遞給密封膠芯105而朝向 井筒103的中軸閉合密封膠芯105時(shí)，流體壓力在密封膠芯105內(nèi)接觸密 封表面(例如楔形面117和鉆桿151)的面和體處引起應(yīng)力和應(yīng)變，從而密封 以抵御來(lái)自下方的井筒壓力。密封膠芯105中出現(xiàn)的應(yīng)力與傳遞給密封膠 芯105的流體壓力近似成正比。
由于防噴器密封件經(jīng)受應(yīng)力，因而密封件材料將產(chǎn)生應(yīng)變以適應(yīng)應(yīng)力 并提供密封接合。密封件材料中出現(xiàn)的應(yīng)變量取決于材料的彈性模量。彈 性模量是應(yīng)力和應(yīng)變之比的量度并可描述為向材料施加壓力時(shí)材料的變形 趨勢(shì)。例如，對(duì)于任意給定的應(yīng)力，彈性模量高的材料產(chǎn)生的應(yīng)變少于彈 性模量低的材料。對(duì)于用于防噴器密封件的材料，金屬插入物的彈性模量 明顯大于彈性部分的彈性模量。例如，鋼的彈性模量(通常為約30,000,000 psi; 200 GPa)近似為大多數(shù)彈性體的彈性模量(通常為約1,500 psi; 0.01 GPa) 的20，000-30，000倍。按照常規(guī)，在檢驗(yàn)、設(shè)計(jì)和制造防噴器密封件例如防噴器用密封膠芯 時(shí)，密封件內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力和/或應(yīng)變(即應(yīng)力集中、應(yīng)變集中)的位置和量最重 要、最受關(guān)注且進(jìn)行地分析最多。在密封件經(jīng)受負(fù)載時(shí)(例如套筒式環(huán)空防 噴器的密封膠芯圍繞鉆桿或圍繞其自身反復(fù)周期性閉合)，評(píng)價(jià)密封件中出 現(xiàn)的應(yīng)力和應(yīng)變的大小和方向，以確定密封件的性能。用于進(jìn)行這種評(píng)價(jià)
的常用方法為有限元分析("FEA")。具體地，F(xiàn)EA可用于模擬和評(píng)價(jià)給定的 位移狀態(tài)下密封件中出現(xiàn)的應(yīng)力和/或應(yīng)變集中。
通常，通過(guò)FEA,利用有限元將防噴器密封件模型化，以確定不同位 移狀態(tài)下密封件的性能。例如，可通過(guò)FEA模型化，模擬處于如下位移狀 態(tài)的套筒式環(huán)空防噴器用密封膠芯移至圍繞鉆桿的閉合位置，在該位移 狀態(tài)下密封膠芯壓在套筒式環(huán)空防噴器的活塞和可拆卸頂蓋與鉆桿之間。 可利用FEA模型生成密封件(在該實(shí)例中為密封膠芯)的應(yīng)變曲線(xiàn)圖，以顯 示在特定位移狀態(tài)下密封件內(nèi)的應(yīng)變集中。
然而，這種應(yīng)變集中的評(píng)價(jià)可能不能夠提供防噴器密封件性能的最準(zhǔn) 確預(yù)測(cè)和表達(dá)。通常，防噴器密封件由于可能經(jīng)受的應(yīng)力而承受極大的應(yīng) 變量。例如，在將密封膠芯壓入閉合位置而密封一段鉆桿周?chē)鷷r(shí)，密封膠 芯的彈性體在應(yīng)變集中區(qū)域可能承受超過(guò)300。/。的應(yīng)變。此外，在沒(méi)有鉆桿 存在的情況下，密封膠芯在密封其自身周?chē)鷷r(shí)可能開(kāi)始承受約400-450%的 應(yīng)變。這種高應(yīng)變，特別是反復(fù)地、周期性地作用于密封件時(shí)，通常導(dǎo)致 密封件最終失效。
此外，如上所述，防噴器密封件中的金屬和彈性體通常具有明顯不同 的彈性模量。由于這種彈性模量之間的差異，當(dāng)結(jié)合在一起時(shí)，在防噴器 中受壓的情況下，在密封件中金屬往往控制彈性體的"流動(dòng)"和變形。在 大量應(yīng)變，特別是反復(fù)周期性位移造成的應(yīng)變下，加之密封件材料的彈性 模量之間存在明顯差異，F(xiàn)EA評(píng)價(jià)應(yīng)變集中可能不能夠準(zhǔn)確地表現(xiàn)密封件 的性能。
在FEA應(yīng)用中，由多個(gè)有限元(即離散域)構(gòu)成的幾何相似圖像 (geometrically similar representation)(通常稱(chēng)為網(wǎng)格)可代表包括剛性材料和 彈性體的密封件。有限元相互作用以模擬密封件并提供不同位移狀態(tài)的模 擬數(shù)據(jù)和結(jié)果。然而，材料的彈性模量具有明顯差異的高應(yīng)力和/或應(yīng)變(即 應(yīng)力和/或應(yīng)變集中)區(qū)域內(nèi)的有限元可能非正常地變形。可能出現(xiàn)的有限元的常見(jiàn)非正常變形包括單元自身坍塌，不受束縛的變形或蒙受應(yīng)力、應(yīng)變 和/或能量的損失。除有限元的其它非正常變形以外，這些非正常變形可產(chǎn) 生模型中出現(xiàn)的應(yīng)力和應(yīng)變的不準(zhǔn)確結(jié)果。
按照常規(guī)，在FEA產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果時(shí)，增加網(wǎng)格的有限元數(shù)量，以至少
在一些選定位置(例如高應(yīng)力或應(yīng)變集中的區(qū)域)獲得較好的分辨率。因而，
在通過(guò)FEA進(jìn)行模型化時(shí)，與其它區(qū)域相比，應(yīng)力和/或應(yīng)變集中的區(qū)域常 常受到更集中的"關(guān)注"。然而，這種過(guò)程可允許這種分析主要集中于密封 件模型的應(yīng)力和/或應(yīng)變集中區(qū)域，,人而4尋出可能受限和/或不準(zhǔn)確的解。例 如，F(xiàn)EA常常增加密封件模型中這些集中區(qū)域的有限元數(shù)量(因而進(jìn)一步復(fù) 雜化)，來(lái)提高集中區(qū)域內(nèi)模擬應(yīng)力和應(yīng)變的準(zhǔn)確性。還可對(duì)密封件模型的 應(yīng)變集中區(qū)域采取同樣的做法。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，增加有限元數(shù)量或 減小網(wǎng)格尺寸可增加求解時(shí)間和所需冪次的計(jì)算量。這可能導(dǎo)致解停止(由 于計(jì)算誤差)和/或得出不準(zhǔn)確的結(jié)果。
現(xiàn)參考圖11,示出了 FEA中應(yīng)變(y軸)與迭代次數(shù)(x軸)的關(guān)系曲線(xiàn)。 具體地，示于y軸的模擬應(yīng)變可以是模擬處于給定位移狀態(tài)的密封件模型 有限元時(shí)沿特定方向出現(xiàn)的主應(yīng)變的大小。例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理 解的是，該圖的y軸可顯示模擬處于一定位移狀態(tài)(例如圍繞鉆桿閉合密封 膠芯)的密封件模型時(shí)有限元中出現(xiàn)的主應(yīng)變(例如沿z軸方向出現(xiàn)的應(yīng)變， y軸和z軸平面中出現(xiàn)的剪切應(yīng)變)的大小。此外，示于x軸的迭代次數(shù)表 示模型化密封件時(shí)所進(jìn)行的FEA模擬量。因而，每次"迭代"表示執(zhí)行一 次FEA過(guò)程，來(lái)模擬防噴器密封件的位移，從而確定密封件模型有限元的 應(yīng)變大小。
在這種逼近過(guò)程中，網(wǎng)格(密封件模型)中有限元的分辨率隨著每次迭代 而提高。具體地，如上所述，常采取的做法是提高承受大量應(yīng)力和/或應(yīng)變 的區(qū)域中的網(wǎng)格有限元的分辨率。然而，由于金屬增強(qiáng)彈性體密封件的特 性，這種局域化分析可能產(chǎn)生與實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的解不相關(guān)的FEA應(yīng)力和/或應(yīng) 變輸出。此外，F(xiàn)EA應(yīng)力和/或應(yīng)變輸出可能由于復(fù)雜性而根本不能夠收斂 于解。
如圖所示，在圖ll的y軸上，確定并示出了處于一定位移狀態(tài)的防噴 器密封件沿模擬主應(yīng)變方向出現(xiàn)的有限元理論應(yīng)變。隨著FEA模型的迭代 次數(shù)增加，得出的模擬應(yīng)變解(即通過(guò)FEA形成的每次迭代得出的應(yīng)變點(diǎn)的趨勢(shì)線(xiàn))可能不符合并收斂于可比位移狀態(tài)下的理論應(yīng)變。示出了理論應(yīng)變
的±約1%的公差帶，來(lái)表示可接受的模擬應(yīng)變解收斂范圍。FEA應(yīng)力和/或
應(yīng)變輸出收斂的概念可理解為，當(dāng)模擬應(yīng)力/應(yīng)變解達(dá)到落在公差帶內(nèi)的解 時(shí)，隨著解的進(jìn)一步迭代繼續(xù)進(jìn)行，模擬應(yīng)力/應(yīng)變解繼續(xù)保持落在公差帶 內(nèi)。
因而，如圖所示，當(dāng)設(shè)計(jì)和制造包括剛性插入物的高應(yīng)變彈性密封件
時(shí)，通過(guò)FEA預(yù)測(cè)的理論應(yīng)力和應(yīng)變與實(shí)際應(yīng)力和應(yīng)變之間可能存在明顯 的偏差。因此，目前模型化以及分析防噴器密封件的方法不能夠提供足夠 的信息來(lái)改善防噴器密封件的設(shè)計(jì)和制造。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案涉及制造防噴器密封件的方法。該方 法包括選擇密封件設(shè)計(jì)，根據(jù)所選擇的密封件設(shè)計(jì)生成第一有限元分析 密封件模型，平滑化第一有限元分析密封件模型，基于位移狀態(tài)分析平滑 化第 一有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖，以及制造密封件。
另一方面，本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案涉及檢驗(yàn)防噴器密封件的方法。該 方法包括生成第一有限元分析密封件模型，平滑化第一有限元分析密封 件模型，基于位移狀態(tài)分析平滑化第一有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn) 圖，以及將平滑化第 一有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖與至少 一個(gè)特 定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。
此外，另一方面，本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案涉及優(yōu)化防噴器密封件的方 法。該方法包括平滑化第一有限元分析密封件模型，基于位移狀態(tài)分析 平滑化第 一有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖，基于所分析的平滑化第 一有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖生成第二有限元分析密封件模型， 平滑化第二有限元分析密封件模型，基于位移狀態(tài)分析第二平滑有限元分
析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖，重復(fù)分析和生成平滑有限元分析密封件模型， 直至獲得優(yōu)化密封模型。
通過(guò)以下說(shuō)明和所附權(quán)利要求，本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案的其它方面和 優(yōu)勢(shì)將顯而易見(jiàn)。


圖l是套筒式環(huán)空防噴器的截面圖。
圖2是套筒式環(huán)空防噴器用密封膠芯的截面圖。
圖3A是套筒式環(huán)空防噴器用密封膠芯的金屬插入物的透視圖。
圖3B是套筒式環(huán)空防噴器用密封膠芯的替換性金屬插入物的側(cè)視圖。
圖4是處于松開(kāi)位置的現(xiàn)有套筒式環(huán)空防噴器用密封膠芯的截面圖。
圖5是處于閉合位置的套筒式環(huán)空防噴器用密封膠芯的截面圖。
圖6是球形防噴器的截面圖。
圖7是閘板式防噴器的截面圖。
圖8是閘板式防噴器的閘板剪切件的透視圖。
圖9A是閘板式防噴器的防噴器閘板的頂部密封件的透視圖。
圖9B是閘板式防噴器的防噴器閘板的頂部密封件的截面圖。
圖10是閘板式防噴器的防噴器閘板的變徑閘板封隔器的透視圖。
圖11是應(yīng)變與FEA迭代次數(shù)的關(guān)系圖。
圖12是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案制造防噴器密封件的方法的流程圖。
圖13是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案二維曲線(xiàn)圖(利用x軸和z軸)形式
的環(huán)形密封膠芯截面軸向輪廓圖。
圖14是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案二維曲線(xiàn)圖(利用x軸和y軸)形式
的環(huán)形密封膠芯截面徑向輪廓圖。
圖15是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案三維曲線(xiàn)圖(利用x、 y和z軸)形式
的環(huán)形密封膠芯的密封件模型的 一部分。
圖16是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案三維曲線(xiàn)圖(利用x、 y和z軸)形式
的環(huán)形密封膠芯的密封件網(wǎng)格的 一部分。
圖17A是套筒式環(huán)空防噴器用密封膠芯的金屬插入物的端視圖。
圖17B是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案套筒式環(huán)空防噴器用密封膠芯的
金屬插入物的端視圖。
圖18A是套筒式環(huán)空防噴器用密封膠芯的金屬插入物的頂視圖。 圖18B是套筒式環(huán)空防噴器用密封膠芯的金屬插入物的頂視圖。 圖19A是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案環(huán)形密封膠芯的密封件模型的應(yīng)
變曲線(xiàn)圖。圖19B是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案環(huán)形密封膠芯的密封件模型的應(yīng) 變曲線(xiàn)圖。
圖20A是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案環(huán)形密封膠芯的密封件模型的應(yīng) 變曲線(xiàn)圖。
圖20B是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案環(huán)形密封膠芯的密封件模型的應(yīng) 變曲線(xiàn)圖。
圖21A是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案環(huán)形密封膠芯的密封件模型的應(yīng) 變曲線(xiàn)圖。
圖21B是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案環(huán)形密封膠芯的密封件模型的應(yīng) 變曲線(xiàn)圖。
圖22是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案應(yīng)變與FEA迭代次數(shù)的關(guān)系圖。
圖23A是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案選擇性分離的環(huán)形密封膠芯的密 封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖。
圖23B是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案選擇性分離的環(huán)形密封膠芯的密 封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖。
圖24A是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案選擇性分離的環(huán)形密封膠芯的密 封模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖。
圖24B是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案選擇性分離的環(huán)形密封膠芯的密 封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖。
圖25A是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案選擇性分離的環(huán)形密封膠芯的密 封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖。
圖25B是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案選擇性分離的環(huán)形密封膠芯的密 封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖。
圖26示出根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案設(shè)計(jì)防噴器密封件所使用的計(jì)算 機(jī)系統(tǒng)。
圖27A是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案環(huán)形密封膠芯的密封件模型的應(yīng) 變曲線(xiàn)圖。
圖27B是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案環(huán)形密封膠芯的密封件模型的應(yīng) 變曲線(xiàn)圖。
圖28是根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案環(huán)形密封膠芯的密封件模型。
具體實(shí)施例方式
一方面，本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案涉及防噴器密封件的制造方法。另一 方面，本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案涉及優(yōu)化防噴器密封件的方法，在該方法中 結(jié)合使用應(yīng)變曲線(xiàn)圖。另一方面，本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案涉及在相應(yīng)于一
定的位移狀態(tài)對(duì)模型進(jìn)行平滑化和體積分析之后利用FEA生成應(yīng)變曲線(xiàn)圖
來(lái)檢驗(yàn)防噴器密封件模型的方法。
如本申請(qǐng)所用，"剛性材料"是指可為防噴器的密封件提供結(jié)構(gòu)支撐的 任意材料，包括金屬和非金屬。剛性材料的實(shí)例可包括但不限于鋼、青銅 和高強(qiáng)度復(fù)合材料(例如碳復(fù)合材料、環(huán)氧復(fù)合材料、熱塑性材料)。此外， 如本申請(qǐng)所用，"密封件，，是指能夠隔離高壓區(qū)和低壓區(qū)的裝置。防噴器密 封件的實(shí)例包括但不限于環(huán)形密封膠芯、頂部密封件和變徑閘板。
如上所述，通常用于設(shè)計(jì)和制造防噴器密封件(具有彈性體和剛性材料) 的方法和模型可能不能夠提供準(zhǔn)確的信息來(lái)改善密封件設(shè)計(jì)的性能。因而， 在根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)防噴器密封件時(shí)，可采用
包括體積應(yīng)變和生成應(yīng)變曲線(xiàn)圖的FEA的方法，以得出給定位移狀態(tài)下更 準(zhǔn)確的收斂結(jié)果。除了生成和改進(jìn)密封件模型的一些方法之外，該FEA方 法可更準(zhǔn)確地計(jì)算密封件中的應(yīng)變，這是因?yàn)镕EA方法適于防噴器密封件 經(jīng)受的大量應(yīng)力和應(yīng)變。進(jìn)行這種FEA的合適軟件包括但不限于 ABAQUS(可獲自ABAQUS, Inc.) 、 MARC(可獲自MSC軟件公司)和 ANSYS(可獲自ANSYS， Inc.)。
具體地，本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案和方法可有利地提供下述方法通過(guò) FEA生成和分析密封件模型，來(lái)確定在特征在于大量應(yīng)變的位移狀態(tài)下密 封件的反應(yīng)。本申請(qǐng)披露的方法可采用筒化的密封件設(shè)計(jì)和/或密封件模型， 以有助于密封件的分析。例如，本申請(qǐng)披露的方法可通過(guò)"平滑化"所述 設(shè)計(jì)來(lái)避免分析復(fù)雜密封件設(shè)計(jì)的應(yīng)力和應(yīng)變集中。
如本申請(qǐng)所用，術(shù)語(yǔ)"平滑化"是指簡(jiǎn)化密封件設(shè)計(jì)的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu) 以用于FEA的各種方法。這些方法可允許平滑模型(即由平滑設(shè)計(jì)構(gòu)造的 FEA模型)的分析與實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)并收斂于確定的結(jié)果(對(duì)未經(jīng) 平滑化的模型進(jìn)行分析時(shí)不可能)。因而，可通過(guò)FEA分析由平滑化設(shè)計(jì)構(gòu) 造的模型，來(lái)確定整體或"體積"應(yīng)變狀態(tài)。通過(guò)分析這種體積(即非定域) 應(yīng)變，可更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)各種位移狀態(tài)下密封件的性能和/或可能的失效。在對(duì)平滑模型的體積應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析之后，可將由此獲得的信息引入將制 造的(未經(jīng)平滑化的)密封件設(shè)計(jì)。
現(xiàn)參考圖12，示出了包括彈性體和剛性材料的密封件的制造方法的流 程圖。作為第一步1210,確定密封件材料(例如彈性體和剛性材料)的性能。 可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定材料性能，或根據(jù)可商購(gòu)的材料性能數(shù)據(jù)提供材料性
能。隨后，生成密封件的三維密封件模型(即網(wǎng)格)1220。因而，生成密封件 模型1220還可包括輸入密封件設(shè)計(jì)1221并隨后平滑化所輸入的密封件設(shè) 計(jì)1222以簡(jiǎn)化FEA分析。
接著，使用平滑密封件模型1230,通過(guò)FEA模擬位移狀態(tài)。優(yōu)選地， 這些模擬位移狀態(tài)反應(yīng)密封件在使用時(shí)預(yù)期可能經(jīng)受的力、負(fù)載狀態(tài)或應(yīng) 變。此外，在模擬位移狀態(tài)之后，生成并分析顯示密封件模型中出現(xiàn)的應(yīng) 變和變形的應(yīng)變曲線(xiàn)圖1240。理想地，應(yīng)變曲線(xiàn)圖示出了相應(yīng)于模擬位移 狀態(tài)密封件模型中出現(xiàn)應(yīng)變的位置和量。可分析和評(píng)價(jià)1240應(yīng)變曲線(xiàn)圖， 來(lái)確定密封件模型的性能特征。如果密封件模型需要改進(jìn)，則該方法可循 環(huán)返回1210,來(lái)確定另一種密封件材料的材料性能，或者可循環(huán)返回1220, 來(lái)生成和分析另一密封件模型。這種循環(huán)允許通過(guò)FEA進(jìn)一步模擬密封件 模型，以確定在進(jìn)一步改進(jìn)或模擬之后密封件模型的性能。另外，如果認(rèn) 為密封件模型可以接受且滿(mǎn)足特定標(biāo)準(zhǔn)，則可使用該密封件模型制造防噴 器密封件1250。
在初始步驟1210中，確定密封件材料的性能。在這些材料中，彈性材 料的彈性模量低于剛性材料的彈性模量。因而，當(dāng)密封件經(jīng)受大量應(yīng)力時(shí)， 與剛性材料部分相比，密封件的彈性部分產(chǎn)生的應(yīng)變更多。例如，在將套 筒式環(huán)空防噴器中的密封膠芯壓入閉合位置時(shí)，與金屬插入物相比，密封 膠芯的彈性體產(chǎn)生的應(yīng)變明顯更多。由于對(duì)于任意給定的應(yīng)力輸入彈性體 的應(yīng)變明顯多于剛性材料，因而確定用于密封件的彈性體的材料性能，特 別是彈性體內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變之間的關(guān)系可能尤為重要。
在恒定的應(yīng)力下，在粘彈性材料中，應(yīng)變可隨時(shí)間增加(即蠕變)。相反， 在恒定的應(yīng)變量下，粘彈性材料內(nèi)的應(yīng)力隨時(shí)間下降(即弛豫)。此外，較高 的應(yīng)變量和較低的溫度可導(dǎo)致粘彈性材料的彈性模量增大。材料的伸長(zhǎng)率 是指材料長(zhǎng)度的百分率變化。將失效之前材料可經(jīng)受或伸長(zhǎng)達(dá)到的最大拉 伸應(yīng)變稱(chēng)為斷裂伸長(zhǎng)率。材料可具有高的彈性模量或低的彈性模量，但可表現(xiàn)出低的斷裂伸長(zhǎng)率，使得材料在沒(méi)有經(jīng)歷明顯應(yīng)變的情況下失效。此 外，材料的抗拉強(qiáng)度是材料在失效之前可經(jīng)受的最大應(yīng)力(以拉力計(jì))。當(dāng)應(yīng) 力作用于材料時(shí)，材料產(chǎn)生應(yīng)變以適應(yīng)應(yīng)力。 一旦應(yīng)力對(duì)于材料而言過(guò)大 時(shí)，材料將不再能夠產(chǎn)生應(yīng)變，材料失效。材料的失效點(diǎn)稱(chēng)為極限抗拉強(qiáng)度。
此外，如果彈性材料經(jīng)歷周期性位移，則可能出現(xiàn)滯后(位相滯后)，導(dǎo) 致彈性材料內(nèi)的機(jī)械能耗散。當(dāng)存在應(yīng)力引起的軟化時(shí)可能出現(xiàn)滯后?？?將這描述為材料的瞬時(shí)不可逆軟化，當(dāng)所經(jīng)歷的位移增大超過(guò)任意先前的 最大值時(shí)發(fā)生所述瞬時(shí)不可逆軟化，導(dǎo)致材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)偏移。認(rèn)為
的微斷裂。這使得彈性材料在初始變形過(guò)程中弱化，從而使得材料在隨后 的材料變形中更弱。
因而，在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，如上所述，可采用彈性體試驗(yàn)， 來(lái)確定防噴器密封件的彈性體的至少一種材料性能。具體地，可進(jìn)行試驗(yàn) 來(lái)確定彈性材料的性能?？蛇M(jìn)行的試驗(yàn)的實(shí)例包括但不限于單軸抗拉試驗(yàn)、
單軸抗壓試驗(yàn)、搭接剪切試驗(yàn)(lap shear test)和雙軸抗拉試驗(yàn)。單軸抗拉試驗(yàn) 沿一個(gè)方向向材料施加拉應(yīng)力并測(cè)量材料中產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變。單軸抗壓試 驗(yàn)沿一個(gè)方向向材料施加壓應(yīng)力并測(cè)量材料中產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變。搭接剪切 試驗(yàn)向材料施加剪切應(yīng)力并測(cè)量材料的相應(yīng)剪切應(yīng)變。此外，雙軸抗拉試 驗(yàn)沿兩個(gè)方向向材料施加拉應(yīng)力并測(cè)量材料的相應(yīng)應(yīng)變。除本領(lǐng)域公知的 其它試驗(yàn)以外，這些試驗(yàn)的采用可有助于分析和確定彈性體的材料性能。 此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，由于大多數(shù)材料的材料性能因溫度 而改變，因而，在不同溫度下進(jìn)行多次試驗(yàn)來(lái)確定某種材料性能可能較為 適宜。
在步驟1220中，生成密封件的模型(即網(wǎng)格)。在生成密封件模型時(shí)， 選擇密封件的設(shè)計(jì)特征并將該設(shè)計(jì)特征應(yīng)用于模型。例如，對(duì)于套筒式環(huán) 空防噴器用密封膠芯，在生成密封件模型時(shí)，可選擇插入物的用量、剛性 材料插入物的寬度和用于剛性材料插入物的具體材料?？稍谟?jì)算機(jī)輔助設(shè) 計(jì)("CAD")程序包(例如可購(gòu)自 Autodesk, Inc.的AutoCAD和可購(gòu)自 Parametric Technology Corporation的Pro/Engineer)中，建立密封件才莫型，并 將該密封件模型輸入FEA程序包，或者，在替換方案中，可通過(guò)FEA程序包(例如ABAQUS和PATRAN)本身生成密封件模型。
現(xiàn)參考圖13-16,示出了根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案生成密封件模型的 方法。具體地，如圖所示，可由使用CAD軟件作出的密封件設(shè)計(jì)生成套筒 式環(huán)空防噴器用密封膠芯105的模型。如圖13所示，可以二維曲線(xiàn)圖形式 (使用x軸和z軸)生成環(huán)形密封膠芯105的密封件設(shè)計(jì)的截面軸向輪廓圖 1301。密封膠芯105包括彈性體107和具有孔111的剛性(例如金屬)材料插 入物109?？缮啥喾鶑较蚝洼S向截面輪廓圖以呈現(xiàn)密封件的不同部分。例 如，可生成密封膠芯105具有金屬插入物109的部分或沒(méi)有金屬插入物109 的部分的輪廓圖。
接著，如圖14所示，除生成截面軸向4侖廓圖1301以外，可生成密封 件設(shè)計(jì)的截面徑向輪廓圖1401，從而以二維曲線(xiàn)圖形式(使用x軸和y軸) 呈現(xiàn)密封件的不同徑向部分。由于密封膠芯105的對(duì)稱(chēng)性，因而如圖所示 僅需生成截面徑向輪廓圖1401的徑向部分。因而，如圖15所示，通過(guò)組 合軸向和徑向輪廓圖1301、 1401，可生成三維密封件設(shè)計(jì)1501,從而以三 維曲線(xiàn)圖形式(使用圖13和圖14中的相應(yīng)x、y和z)呈現(xiàn)密封膠芯105的至 少一部分。在三維密封件設(shè)計(jì)1501中，以能夠相互作用的獨(dú)立體的形式， 生成金屬插入物109和彈性體107。根據(jù)密封件(即在此情況下為密封膠芯) 設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，可生成更多的密封件輪廓圖1301、 1401，以呈現(xiàn)密封件設(shè) 計(jì)1501的更多細(xì)節(jié)。
此外，如圖所示，密封件設(shè)計(jì)1501和模型或網(wǎng)格1601(隨后討論)可僅 呈現(xiàn)密封膠芯105的徑向部分。然而，可利用密封膠芯105的對(duì)稱(chēng)幾何結(jié) 構(gòu)，容易地生成密封膠芯105的其余部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是， 對(duì)于徑向?qū)ΨQ(chēng)模型，可利用并復(fù)制對(duì)稱(chēng)部分和輪廓圖，來(lái)簡(jiǎn)化模型的生成。
現(xiàn)參考圖16,可將使用CAD軟件作出的密封件設(shè)計(jì)1501輸入FEA軟 件，以生成大量有限元1603構(gòu)成的模型或網(wǎng)格1601。當(dāng)施加應(yīng)力和壓力時(shí)， 網(wǎng)格1601的有限元1603 —同作用來(lái)模擬密封件和密封膠芯。密封膠芯105 的彈性體107的有限元1603相應(yīng)于彈性材料的材料性能模擬并響應(yīng)應(yīng)力和 壓力(即表現(xiàn)出應(yīng)變)。
類(lèi)似地，密封膠芯105的金屬插入物109的有限元1603相應(yīng)于金屬插 入物的材^K生能模擬并響應(yīng)應(yīng)力和壓力。因而，有限元1603變形并產(chǎn)生應(yīng) 變，以根據(jù)密封件的不同材料(例如彈性體和剛性材料)的材料性能模擬它們的響應(yīng)。盡管將有限元1603示為八節(jié)點(diǎn)單元(即磚狀單元(brick dement)), 但可使用本領(lǐng)域已知的任意形狀的有限元。此外，在生成密封件模型1220的同時(shí)，可將多種平滑化方法應(yīng)用于密 封件設(shè)計(jì)1222。在許多情況下，如上所述，當(dāng)模擬大量應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)，利 用FEA分析密封件的實(shí)際制造幾何結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致復(fù)雜化。具體地，金屬密 封部件的制造幾何結(jié)構(gòu)包括圓角和其它降低應(yīng)力集中的特征，從而使應(yīng)力 在其所作用的部件內(nèi)更均勻地分布。然而，發(fā)現(xiàn)這些方法可能對(duì)FEA中的 FEA模型造成增加模型復(fù)雜性的不利影響并可能阻礙FEA產(chǎn)生準(zhǔn)確結(jié)果。 因而，由平滑化設(shè)計(jì)生成的密封件模型可包括消除制造應(yīng)力集中的特征， 以改善FEA的結(jié)果。在一種實(shí)施方案中，可改進(jìn)(即平滑化)密封件設(shè)計(jì)的剛性材料以降低其 復(fù)雜性。現(xiàn)參考圖17A,示出了金屬插入物1701的端視圖，該金屬插入物 1701包括由梁腹(web) 1705連接的梁(flange) 1703。金屬插入物1701通常包 括圓內(nèi)角1707和方外角1709。然而，在平滑化設(shè)計(jì)的一種實(shí)施方案中，可 改進(jìn)金屬插入物的角。例如，現(xiàn)參考圖17B,示出了根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施 方案的金屬插入物1711設(shè)計(jì)的端視圖，該金屬插入物1711設(shè)計(jì)包括由梁腹 1715連接的梁1713。在平滑化該設(shè)計(jì)時(shí)，可改進(jìn)內(nèi)角1717來(lái)嘗試減小或 消除其半徑(如圖所示)，以簡(jiǎn)化隨后構(gòu)建的模型。此外，在平滑密封件設(shè)計(jì) 時(shí)，可改進(jìn)外角1719來(lái)嘗試增加或增大其半徑(如圖所示)，以簡(jiǎn)化隨后構(gòu) 建的模型?？煞治鲆赃@種方式構(gòu)建的密封件模型的體積應(yīng)變，從而與采用 前述更"局域化，，的方法可能獲得的結(jié)果相比，F(xiàn)EA可產(chǎn)生更準(zhǔn)確和確定 的結(jié)果。此外，在另一實(shí)施方案中，平滑化可包括改進(jìn)剛性材料插入物的形狀 和其在彈性體內(nèi)的位置，而不是通過(guò)改進(jìn)剛性材料插入物的內(nèi)角和外角來(lái)平滑化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)參考圖18A,示出了金屬插入物1801的頂視圖，該金屬插 入物1801設(shè)置在環(huán)形密封膠芯的彈性體1802的一部分內(nèi)。所示金屬插入 物1801的梁1803和梁腹1805(輪廓所示)具有矩形輪廓，其中梁1803的梁 端部1804A、 1804B和梁腹1805的梁腹端部1806A、 1806B由直邊限定。 端部1804A、 1806A比端部1804B、 1806B在徑向上更接近中軸103。然而，參考圖18B，可平滑化金屬插入物的形狀和取向以進(jìn)行體積應(yīng) 變分析。在圖18B中，示出了金屬插入物1811的頂視圖，該金屬插入物1811設(shè)置在根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案的環(huán)形密封膠芯的彈性體1802的一部分內(nèi)。如圖所示，金屬插入物1811的梁1813和梁腹1815(輪廓所示)具有弧形 端部，來(lái)限定以中軸103為中心的徑向輪廓。具體地，梁1813的側(cè)邊1814C、 1814D可沿從中軸103徑向伸出的徑向線(xiàn)1817。梁腹1815的側(cè)邊1816C、 1816D可同樣沿徑向線(xiàn)(未示出)。因而，如圖所示，在這種情況下，位于梁 側(cè)邊1814C、 1814D之間的梁端部1814A、 1814B和位于梁腹側(cè)邊1816C、 1816D之間的梁腹端部1816A、 1816B可沿弧形軌跡而具有弧度。優(yōu)選地， 弧形端部1814A、 1814B、 1816A、 1816B沿圍繞中軸103限定的徑向軌跡 1818。因而，如圖所示，梁1813和梁腹1815的寬度沿其側(cè)邊1814C、 1814D、 1816C、 1816D從端部1814A、 1816A至端部1814B、 1816B增大。因而， 以這種方式構(gòu)建的密封件模型在FEA過(guò)程中可能能夠更準(zhǔn)確地模擬應(yīng)變， 從而產(chǎn)生更準(zhǔn)確和確定的結(jié)果。此外，還可平滑密封件設(shè)計(jì)的彈性體。再次參考圖15,彈性體107包 括相應(yīng)于活塞(圖1中的117)的楔形面118的受壓面108。當(dāng)起動(dòng)活塞117 時(shí)，楔形面118接觸并壓動(dòng)密封膠芯105以將井密封。在一種方法中，可 如下平滑密封件設(shè)計(jì)改進(jìn)受壓面，以具有與活塞的楔形面近似相同的角 度?；蛘撸筛倪M(jìn)楔形面和受壓面，以增加兩者之間的接觸區(qū)域。通過(guò)改 進(jìn)受壓面或楔形面或者同時(shí)改變兩者，由此構(gòu)建的密封件模型在FEA過(guò)程 中可能能夠更準(zhǔn)確地纟莫擬應(yīng)變曲線(xiàn)圖的應(yīng)變。由于彈性體的受壓面另外具 有與活塞楔形面不同的角度，因而可簡(jiǎn)化FEA的輸出，從而在位移時(shí)產(chǎn)生 更準(zhǔn)確或確定的結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，除了所述平滑化和改進(jìn)方法之外，還 可采用其它方法。例如，在另一實(shí)施方案中，可改進(jìn)剛性材料插入物的梁 腹，例如使插入物的梁腹中空，只要在任意以及所有位移狀態(tài)下剛性材料 插入物為密封件提供充分的結(jié)構(gòu)支撐以承受施加于其上的壓力。優(yōu)選地，在步驟1220中生成密封件模型時(shí)，特別是平滑密封件模型的 密封件設(shè)計(jì)1222時(shí)，密封件模型的彈性體和剛性材料插入物的體積基本保 持不變。如果體積沒(méi)有保持恒定，則從通過(guò)FEA作出的應(yīng)變曲線(xiàn)圖上獲得 的結(jié)果和模擬應(yīng)變可能不準(zhǔn)確或不一致。例如，在向單元施加壓力時(shí)，作 用于該單元的壓力使單元受到應(yīng)力，致使單元產(chǎn)生應(yīng)變以適應(yīng)應(yīng)力。作用因而，如果作用于單元的壓力增大和/或單元的體積減小，則單元中的應(yīng)力 相應(yīng)增大。利用這種構(gòu)思，彈性體和剛性材料插入物各自的體積優(yōu)選基本保持不 變，以產(chǎn)生精確的結(jié)果。例如，如果整個(gè)密封件模型的體積與實(shí)際密封件 明顯不同，則密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖可顯示在相應(yīng)的位移狀態(tài)下彈性體 內(nèi)的應(yīng)變?cè)龃?。此外，如果?yīng)用于密封件模型的密封件設(shè)計(jì)的平滑方法使 密封件模型的體積改變，例如在平滑過(guò)程中增大密封件模型的彈性體的體 積，則平滑模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖可顯示在相應(yīng)的位移狀態(tài)下模擬應(yīng)變減小。 因而，如果密封件模型的彈性體和剛性材料插入物的體積增大或減小，則 模型內(nèi)的模擬應(yīng)變固有地改變，而不依賴(lài)于是否為獲得任何改善而對(duì)密封 件模型進(jìn)行了改進(jìn)。此外，如果密封件的總體積對(duì)于未平滑模型和平滑模 型保持一致，而彈性體和剛性插入物的相對(duì)體積改變，則可類(lèi)似地調(diào)和應(yīng) 變曲線(xiàn)圖?，F(xiàn)繼續(xù)步驟1230,使用所生成的密封件模型通過(guò)FEA模擬防噴器密封 件的位移狀態(tài)。優(yōu)選地，模擬位移狀態(tài)為密封件在工作過(guò)程中預(yù)期可能經(jīng) 受的負(fù)載和應(yīng)變。例如，套筒式環(huán)空防噴器的密封膠芯模型可要求與壓入 閉合位置以密封一段鉆桿周?chē)嚓P(guān)的模擬位移狀態(tài)。此外，如果不存在鉆 桿，則模型可經(jīng)歷與受壓封閉其自身周?chē)悦芊饪紫嚓P(guān)的模擬位移狀態(tài)。在步驟1240中，可分析和評(píng)價(jià)應(yīng)變曲線(xiàn)圖以確定模型化密封件的性能， 該應(yīng)變曲線(xiàn)圖顯示相應(yīng)于位移狀態(tài)在密封件模型中出現(xiàn)的應(yīng)變和變形?，F(xiàn) 參考圖19-21，示出了根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案的密封件模型的截面應(yīng)變 曲線(xiàn)圖。具體地，密封件模型為套筒式環(huán)空防噴器的密封膠芯的模型，其 中在封閉鉆桿151周?chē)奈灰茽顟B(tài)下，開(kāi)始模擬密封膠芯模型。然后，示 出了模擬處于該位移狀態(tài)下的密封膠芯之前處于初始狀態(tài)的密封膠芯，但 將模擬位移狀態(tài)引發(fā)的應(yīng)變疊加在未位移的密封膠芯上。該方法可如下進(jìn) 行計(jì)算位移狀態(tài)下密封件模型各單元的應(yīng)變，并示出處于初始狀態(tài)的密 封件模型的各相應(yīng)單元的應(yīng)變。這能夠允許將模擬位移狀態(tài)下密封膠芯中 出現(xiàn)的應(yīng)變反向"映射"到其在密封膠芯中的初始位置。現(xiàn)參考圖19A，密封膠芯模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖示出了在密封膠芯封閉鉆 桿151周?chē)哪M位移狀態(tài)下密封件模型中出現(xiàn)的最大主對(duì)數(shù)應(yīng)變 (maximum principal log strain)。在圖19B中，密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖示出了對(duì)圖19A中的密封件模型模擬位移狀態(tài)之前初始的密封膠芯，但將圖19A 的最大主對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線(xiàn)圖疊加在未變形密封件模型上。具體地，將圖19A 中處于位移狀態(tài)的密封件模型中各單元的應(yīng)變疊加在圖19B中未變形密封 件模型的各單元上。這使得應(yīng)變曲線(xiàn)圖能夠顯示出未位移狀態(tài)下應(yīng)變集中 的位置。類(lèi)似地，參考圖20A，密封膠芯模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖示出了在密封膠芯 封閉鉆桿151周?chē)哪M位移狀態(tài)下密封件模型中出現(xiàn)的軸向?qū)?shù)應(yīng)變。 在圖20B中，密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖示出了對(duì)圖20A中的密封件模型模 擬位移狀態(tài)之前初始的密封膠芯，但將圖20A的軸向?qū)?shù)應(yīng)變曲線(xiàn)圖疊加在未變形密封件模型上。類(lèi)似地，參考圖21A,密封膠芯模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖示出了在密封膠芯 封閉鉆桿151周?chē)哪M位移狀態(tài)下密封件模型中出現(xiàn)的剪切對(duì)數(shù)應(yīng)變。 在圖21B中，密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖示出了對(duì)圖21A中的密封件模型模 擬位移狀態(tài)之前初始的密封膠芯，但將圖21A的剪切對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線(xiàn)圖疊加在未變形密封件模型上。如圖19-21所示，密封膠芯經(jīng)受大量應(yīng)變以適應(yīng)利用密封件模型模擬 的閉合位置模擬位移狀態(tài)。由于這些大的應(yīng)變，模型或網(wǎng)格的有限元可能 不能夠適當(dāng)?shù)刈冃味諗坑跍?zhǔn)確或確定的結(jié)果。然而，通過(guò)在步驟1240中 分析平滑模型的體積應(yīng)變曲線(xiàn)圖，可獲得確定結(jié)果?？衫迷u(píng)價(jià)體積應(yīng)變 的FEA,來(lái)產(chǎn)生更準(zhǔn)確的結(jié)果?，F(xiàn)參考圖22,示出了 FEA中應(yīng)變(y軸)與迭代次數(shù)(x軸)的關(guān)系圖。y 軸上的模擬應(yīng)變是給定位移狀態(tài)下對(duì)密封件模型的有限元進(jìn)行模擬得到的 沿特定方向的主應(yīng)變的大小。此外，x軸上的迭代次數(shù)是指模型化密封件時(shí) 所采用的FEA模擬數(shù)量。然而，與圖11的FEA迭代(其中迭代使得模型更 局域化)(即復(fù)雜)相對(duì)，圖22的每次迭代可使所分析的模型逐漸平滑(同時(shí)保 持體積不變)，從而使這種分析本質(zhì)上復(fù)雜性降低。因而，隨著分析從較局 域化的應(yīng)變分析(即x軸的左側(cè))進(jìn)行到體積應(yīng)變分析(即x軸的右側(cè)部分)， 解收斂并包含在約±1%的公差帶內(nèi)。具體地，由圖11可知FEA的解收斂， 這是因?yàn)楫?dāng)模擬應(yīng)變解達(dá)到公差帶內(nèi)的解時(shí)，即使繼續(xù)進(jìn)行多次迭代解仍 繼續(xù)處于公差帶內(nèi)。所期望的是，密封件模型的模擬應(yīng)變可收斂在理論應(yīng) 變的至少約0.5%的公差內(nèi)。因而，與本領(lǐng)域技術(shù)人員直覺(jué)相信的情況相反，與較復(fù)雜的細(xì)化模型 相比，簡(jiǎn)化的平滑模型可產(chǎn)生更收斂且準(zhǔn)確的FEA解。如本實(shí)施方案所示，利用FEA產(chǎn)生的模擬應(yīng)變與實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的解相關(guān)，并收斂于接近理論應(yīng)變且落在公差帶極限內(nèi)的確定和正確的結(jié)果。隨著迭代次數(shù)的增加(以及隨著模型的進(jìn)一步平滑)，通過(guò)FEA得到的模擬應(yīng)變解相當(dāng)于通過(guò)試驗(yàn)得出的密 封件中的應(yīng)變。利用這些結(jié)果，體積應(yīng)變FEA可為防噴器密封件的模擬提 供有用的結(jié)果，以進(jìn)一步改善密封件的設(shè)計(jì)。例如，現(xiàn)參考圖27A、 27B和28,在位移狀態(tài)下進(jìn)行模擬時(shí)密封件模 型將承受的應(yīng)變可顯示在仍處于未位移狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變曲線(xiàn)圖上。該方法使 得能夠確定密封件模型的仍處于未位移狀態(tài)的區(qū)域和單元內(nèi)的應(yīng)變。在圖 27A中，密封膠芯模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖的放大圖示出了在密封膠芯封閉鉆桿 151周?chē)哪M位移狀態(tài)下密封件模型中出現(xiàn)的最大主對(duì)數(shù)應(yīng)變。標(biāo)記并確 定在閉合位移狀態(tài)下進(jìn)行模擬時(shí)經(jīng)受應(yīng)變的三個(gè)有限元2711、 2713、 2715。 在圖27B中，密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖的放大圖示出了對(duì)圖27A中的密封 件模型模擬位移狀態(tài)之前初始的密封膠芯，但將圖27A中位移狀態(tài)下密封 件模型中出現(xiàn)的最大主對(duì)數(shù)應(yīng)變疊加在密封件模型上。由于在圖27A中標(biāo) 記了處于位移狀態(tài)時(shí)的單元2711、 2713、 2715，因而在圖27B中可追蹤單 元2711、 2713、 2715,以確定所述單元在密封件;漠型中的初始位置，從而 圖示出所述單元經(jīng)受的應(yīng)變的大小和方向。圖28根據(jù)圖27A、 27B示出了 具有單元2711、 2713、 2715的密封膠芯密封件模型和網(wǎng)格。采用這種以及 類(lèi)似的方法，可更容易地確定密封件模型的應(yīng)力集中區(qū)域，從而根據(jù)需要 進(jìn)一 步改善密封件模型的設(shè)計(jì)。此外，在步驟1240中分析應(yīng)變曲線(xiàn)圖時(shí)，可利用應(yīng)變曲線(xiàn)圖檢驗(yàn)防噴 器密封件模型。具體地，可使應(yīng)變曲線(xiàn)圖與一種或多種特定標(biāo)準(zhǔn)相比，以 確定密封件模型的性能是否滿(mǎn)足必要的要求。特定標(biāo)準(zhǔn)例如可包括密封件 的性能要求、客戶(hù)要求或工業(yè)要求。此外，可使這些標(biāo)準(zhǔn)與所分析的密封 件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖相比，以確定按照模型制造的密封件是否符合這些要 求。例如，客戶(hù)可能要求套筒式環(huán)空防噴器的密封膠芯能夠經(jīng)受超過(guò)300% 的應(yīng)變。從而，可使處于閉合位置位移狀態(tài)的密封膠芯的密封件模型的應(yīng) 變曲線(xiàn)圖與特定標(biāo)準(zhǔn)相比，以確定該密封件模型是否能夠滿(mǎn)足這些要求。再例如，工業(yè)要求如API 16A/ISO 13533:2001可用作比較和檢驗(yàn)密封件模型的特定標(biāo)準(zhǔn)。特別是，API 16A, Section 5.7.2涉及閘板式防噴器的"閉 合試驗(yàn)"，API 16A, Section 5.7.3涉及套筒式環(huán)空防噴器的閉合試驗(yàn)。依據(jù) API 16A/ISO 13533:2001，可要求密封膠芯圍繞鉆桿進(jìn)^f亍六次閉合，并且在 第七次閉合時(shí)能夠有效地密封以抵御約200-300 psi (1.4-2.1 MPa)的壓力。因 而，可結(jié)合模擬采用依據(jù)工業(yè)要求的位移狀態(tài)，以確定密封件是否能夠滿(mǎn) 足這些要求?？刹捎帽旧暾?qǐng)披露的方法和實(shí)施方案，通過(guò)使密封件模型的 應(yīng)變曲線(xiàn)圖與這些特定標(biāo)準(zhǔn)相比，來(lái)檢驗(yàn)密封件模型。
如果步驟1220中生成以及在步驟1240中分析的密封件模型可進(jìn)一步 改進(jìn)(例如如果模型不滿(mǎn)足特定標(biāo)準(zhǔn))，則該方法可循環(huán)返回步驟1210以確 定另一種密封件材料的材料性能，或者該方法可循環(huán)返回步驟1220以根據(jù) 需要重新生成或改進(jìn)密封件模型。這種生成密封件模型1220和分析密封件 模型1240的循環(huán)可重復(fù)數(shù)次，直至獲得"優(yōu)化"密封件模型。
在一種實(shí)施方案中，當(dāng)循環(huán)返回并重新生成密封件模型1220時(shí)，密封 膠芯的彈性體的選定部分可與剛性材料插入物選擇性分離，以減小應(yīng)變并 減少應(yīng)變位置。如以上針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所討論的，通常密封膠芯的彈性體與 金屬插入物完全結(jié)合以保持最大的剛度。然而，在通過(guò)FEA模型化密封膠 芯而示出應(yīng)力圖時(shí)，如果彈性體的選定部分沒(méi)有與剛性材料插入物結(jié)合， 則可能減,J、密封膠芯的彈性體中的應(yīng)變。
現(xiàn)參考圖23-25,示出了存在這種選擇性分離的平滑密封件模型的應(yīng)變 曲線(xiàn)圖。具體地，該密封件模型為套筒式環(huán)空防噴器用密封膠芯的模型， 其中在封閉鉆桿151周?chē)奈灰茽顟B(tài)下開(kāi)始模擬密封膠芯模型。然后，示 出了在位移狀態(tài)下模擬密封膠芯之前處于初始狀態(tài)的密封膠芯，但將模擬 位移狀態(tài)下的應(yīng)變疊加在密封膠芯上。該方法類(lèi)似于以上圖19-21。然而， 在圖23-25中密封件模型的彈性體額外選擇性地與金屬插入物109的頂端 109A后面的底面109B分離。
現(xiàn)參考圖23A，具有選擇性分離彈性體的密封膠芯模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖 示出了在密封膠芯封閉鉆桿151周?chē)哪M位移狀態(tài)下密封件模型中出現(xiàn) 的最大主對(duì)數(shù)應(yīng)變。在圖23B中，密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖示出了對(duì)圖23A 中的密封件模型模擬位移狀態(tài)之前初始的選擇性分離密封膠芯模型，但將 圖23A的最大主對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線(xiàn)圖疊加在未變形密封件模型上。這使得應(yīng)變 曲線(xiàn)圖能夠示出未位移狀態(tài)下應(yīng)力集中的位置。類(lèi)似地，參考圖24A，具有選擇性分離彈性體的密封膠芯模型的應(yīng)變
曲線(xiàn)圖示出了在密封膠芯封閉鉆桿151周?chē)哪M位移狀態(tài)下密封件模型 中出現(xiàn)的軸向?qū)?shù)應(yīng)變。在圖24B中，密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖示出了對(duì) 圖24A中的密封件模型模擬位移狀態(tài)之前初始的選擇性分離密封膠芯模 型，但將圖24A的軸向?qū)?shù)應(yīng)變曲線(xiàn)圖疊加在未變形密封件模型上。
類(lèi)似地，參考圖25A，具有選擇性分離彈性體的密封膠芯模型的應(yīng)變 曲線(xiàn)圖示出了在密封膠芯封閉鉆桿151周?chē)哪M位移狀態(tài)下密封件模型 中出現(xiàn)的剪切對(duì)數(shù)應(yīng)變。在圖25B中，密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖示出了對(duì) 圖25A中的密封件模型模擬位移狀態(tài)之前初始的選擇性分離密封膠芯模 型，但將圖25A的剪切對(duì)數(shù)應(yīng)變曲線(xiàn)圖疊加在未變形密封件模型上。
具有選擇性分離彈性體的密封件模型的各應(yīng)變曲線(xiàn)圖(即圖23-25)表明 應(yīng)變少于沒(méi)有選擇性分離彈性體的密封膠芯模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖(即圖 19-21)。具體地，鄰近剛性材料插入物頂端底面的彈性體的體積表明，當(dāng)彈 性體與剛性材料插入物選擇性分離時(shí)，密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖中應(yīng)變較 少。因而，如圖所示，對(duì)于選擇性分離密封膠芯，可改進(jìn)并重新生成密封 件模型，以形成優(yōu)化的密封件模型，從而減少密封件模型中出現(xiàn)應(yīng)變的位 置和數(shù)量。
類(lèi)似于以上在步驟1220中生成密封件模型，在對(duì)密封件模型模擬位移 狀態(tài)1230時(shí)，密封件模型及其組元的體積優(yōu)選基本保持不變。如果體積沒(méi) 有保持恒定，則FEA中應(yīng)變曲線(xiàn)圖和模擬應(yīng)變的結(jié)果可能與實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的 結(jié)果沒(méi)有關(guān)聯(lián)或者FEA中應(yīng)變曲線(xiàn)圖和模擬應(yīng)變的結(jié)果相互之間可能沒(méi)有 關(guān)聯(lián)，從而產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果。例如，如果圖19-21的應(yīng)變曲線(xiàn)圖中所示的 密封膠芯的密封件模型的體積與圖23-25的應(yīng)變曲線(xiàn)圖中所示的密封膠芯 的密封件模型的體積不同，則由于增加體積變化因素而難以對(duì)應(yīng)變曲線(xiàn)圖 進(jìn)行比較。當(dāng)密封膠芯的密封件模型的體積增大或減小時(shí)，密封膠芯中的 模擬應(yīng)變固有地改變，而不依賴(lài)于是否為獲得任何改善而對(duì)密封件模型進(jìn) 行了改變。
在步驟1250中，在生成、分析和可能的重新生成(如有必要)之后，密 封件模型可用于制造防噴器1250的密封件。具體地，可采用本領(lǐng)域已知的 方法，制造基于三維密封件模型的防噴器密封件，例如套筒式環(huán)空防噴器 的密封膠芯或者閘板式防噴器的頂部密封件或變徑閘板封隔器。例如，可制造如上所述以及圖23-25所示具有選擇性分離彈性體的套筒式環(huán)空防噴 器用密封膠芯的密封件模型，以用于工業(yè)。與圖19-21中所示的密封膠芯相 比，通過(guò)FEA生成的選擇性分離密封膠芯減少了處于閉合位置時(shí)密封膠芯 中的應(yīng)力集中。由于這種選擇性分離密封件模型具有FEA所示超越其它密 封膠芯的改善性能，因而可制造該選擇性分離密封件模型以用于防噴器或 在防噴器中進(jìn)行測(cè)試。
可通過(guò)任意類(lèi)型的計(jì)算機(jī)(與使用的平臺(tái)無(wú)關(guān))實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)披露的實(shí)施 方案的方面，例如利用FEA生成和分析防噴器密封件的密封件^^型。例如， 如圖26所示，根據(jù)本申請(qǐng)披露的實(shí)施方案可使用的聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3060 包括處理器3062、相關(guān)存儲(chǔ)器3064、存儲(chǔ)裝置3066以及現(xiàn)今計(jì)算機(jī)通常 所具有的大量其它部件和功能。聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)3060還可包括輸入裝置如鍵盤(pán) 3068和鼠標(biāo)3070,以及輸出裝置如監(jiān)視器3072。聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3060經(jīng) 由網(wǎng)絡(luò)接口 (未示出)與局域網(wǎng)(LAN)或?qū)捰蚓W(wǎng)(例如互聯(lián)網(wǎng))(未示出)連接。本 領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是這些輸入和輸出裝置可采取多種其它形式。另 外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可不與互聯(lián)網(wǎng)連接。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是 前述計(jì)算機(jī)3060的一個(gè)或多個(gè)部件可處于遠(yuǎn)程位置并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與其它部 件連接。
有利的是，在采用FEA時(shí)本申請(qǐng)披露的方法和實(shí)施方案可提供改善的 且更準(zhǔn)確的結(jié)果。本申請(qǐng)披露的方法和實(shí)施方案利用通過(guò)FEA得出的應(yīng)變 確定模擬位移狀態(tài)下防噴器密封件的性能特征。這使得密封件模型內(nèi)的有 限元在適應(yīng)大量應(yīng)變時(shí)能夠位移。
此外，本申請(qǐng)披露的方法和實(shí)施方案可提供用于FEA的密封件模型的 分析、平滑化、簡(jiǎn)化和改進(jìn)方法。使用這些方法，可提高利用FEA作出的 應(yīng)變曲線(xiàn)圖的結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，使用這些方法，可改進(jìn)密封件模型， 以減少模擬應(yīng)變曲線(xiàn)圖上密封件模型中出現(xiàn)應(yīng)變(例如應(yīng)變集中)的數(shù)量和 位置。
此外，本申請(qǐng)披露的方法和實(shí)施方案可賦予防噴器密封件提高的工作 壽命。例如，可模擬處于反復(fù)閉合的模擬位移狀態(tài)下的密封膠芯(即密封件 反復(fù)封閉鉆桿或其自身)，以確定可延長(zhǎng)密封膠芯工作壽命(即閉合次數(shù))的 設(shè)計(jì)特征。
盡管針對(duì)有限數(shù)量的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但受益于本文的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，在不脫離本文披露的本發(fā)明范圍的情況下 可設(shè)計(jì)其它實(shí)施方案。因而，本發(fā)明的范圍應(yīng)僅受限于所附權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種制造防噴器密封件的方法，該方法包括選擇密封件設(shè)計(jì)；根據(jù)所選擇的密封件設(shè)計(jì)生成第一有限元分析密封件模型；平滑化所述第一有限元分析密封件模型；基于位移狀態(tài)分析所述平滑第一有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖；和制造密封件。
2. 權(quán)利要求1的方法，還包括依據(jù)至少一個(gè)特定標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)所述第一有限元分析密封件模型。
3. 權(quán)利要求1的方法，其中所述平滑化包括改進(jìn)所述第一有限元分析 密封件模型的剛性材料插入物的內(nèi)角。
4. 權(quán)利要求1的方法，其中所述平滑化包括改進(jìn)所述第一有限元分析 密封件模型的剛性材料插入物的外角。
5. 權(quán)利要求1的方法，其中所述平滑化包括改進(jìn)所述第一有限元分析 密封件模型的彈性體的受壓面。
6. 權(quán)利要求1的方法，其中所述平滑化包括改進(jìn)所述第一有限元分析 密封件模型的剛性材料插入物的梁的端部。
7. 權(quán)利要求1的方法，其中所述平滑化包括改進(jìn)所述第一有限元分析 密封件模型的剛性材料插入物的梁腹的端部。
8. 權(quán)利要求1的方法，其中所述平滑化包括改進(jìn)所述第一有限元分析 密封件模型的剛性材料插入物的梁的側(cè)邊。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中所述平滑化包括改進(jìn)所述第一有限元分析 密封件模型的剛性材料插入物的梁腹的側(cè)邊。
10. 權(quán)利要求1的方法，還包括基于所分析的所述平滑第 一有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖，生 成第二有限元分析密封件模型；和基于位移狀態(tài)分析所述第二有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖。
11. 權(quán)利要求10的方法，其中所述第二有限元分析密封件模型比所述 第 一有限元分析密封件模型更平滑。
12. 權(quán)利要求10的方法，其中所述第一有限元分析密封件模型和所述 第二有限元分析密封件模型中的至少一個(gè)收斂落在約1%的公差以?xún)?nèi)。
13. 權(quán)利要求10的方法，其中所述第一有限元分析密封件模型和所述 第二有限元分析密封件模型中的至少一個(gè)收斂落在約0.5%的公差以?xún)?nèi)。
14. 權(quán)利要求10的方法，其中所述第二有限元分析密封件模型的彈性 體的體積與所述平滑有限元分析密封件模型的體積基本保持一致。
15. 權(quán)利要求1的方法，其中所述第一有限元分析密封件模型的彈性體 的體積在平滑化過(guò)程中基本保持不變。
16. 權(quán)利要求l的方法，其中所述密封件包括彈性體和剛性材料。
17. 權(quán)利要求16的方法，其中所述剛性材料包括鋼、青銅和復(fù)合材料 中的一種。
18. 權(quán)利要求1的方法，其中所述防噴器密封件為閘板式防噴器的頂部 密封件。
19. 權(quán)利要求1的方法，其中所述防噴器密封件為閘板式防噴器的變徑 閘板封隔器。
20. 權(quán)利要求1的方法，其中所述防噴器密封件為套筒式環(huán)空防噴器的 密封膠芯。
21. 權(quán)利要求l的方法，其中所述位移狀態(tài)包括至少約300%的應(yīng)變。
22. 權(quán)利要求l的方法，其中所述位移狀態(tài)包括至少約450%的應(yīng)變。
23. 權(quán)利要求1的方法，其中所述應(yīng)變曲線(xiàn)圖包括最大主應(yīng)變、軸向應(yīng) 變和剪切應(yīng)變中的一種。
24. 權(quán)利要求1的方法，其中所述應(yīng)變曲線(xiàn)圖包括第一有限元分析密封 件模型的截面圖。
25. —種檢驗(yàn)防噴器密封件的方法，該方法包括 生成第 一有限元分析密封件模型； 平滑化所述第一有限元分析密封件模型；基于位移狀態(tài)分析所述平滑第 一 有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn) 圖；和將所述平滑第 一有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖與至少 一種特定 才示〉,才目t匕。
26. 權(quán)利要求25的方法，還包括基于所分析的應(yīng)變曲線(xiàn)圖生成第二有限元分析密封件模型； 基于位移狀態(tài)分析所述第二有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖；和 將所述第二有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖與至少一種特定標(biāo)準(zhǔn) 相比。
27. 權(quán)利要求26的方法，還包括平滑化所述第二有限元分析密封件模型。
28. 權(quán)利要求25的方法，其中所述密封件包括彈性體和剛性材料。
29. 權(quán)利要求25的方法，其中所述至少一種特定標(biāo)準(zhǔn)基于對(duì)密封件的 性能要求、客戶(hù)要求和工業(yè)要求中的一種。
30. 權(quán)利要求29的方法，其中所述工業(yè)要求包括API 16A/ISO 13533:2001。
31. —種優(yōu)化防噴器密封件的方法，該方法包括 平滑化第 一有限元分析密封件;漠型；基于位移狀態(tài)分析所述平滑第 一有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖；基于所分析的平滑第一有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖，生成第 二有限元分析密封件模型；平滑化所述第二有限元分析密封件模型；基于位移狀態(tài)分析所述第二平滑有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn) 圖；和重復(fù)分析和生成平滑有限元分析密封件模型，直至獲得優(yōu)化的密封件 模型。
32. 權(quán)利要求31的方法，其中所述密封件包括彈性體和剛性材料。
33. 權(quán)利要求31的方法，其中所述第一有限元分析密封件模型的體積 和所述第二有限元分析密封件模型的體積基本相同。
34. 權(quán)利要求31的方法，其中將所述優(yōu)化密封件模型與至少一種特定 才目t匕。
全文摘要
一種制造、檢驗(yàn)和優(yōu)化防噴器密封件的方法。該方法包括生成有限元分析密封件模型，平滑有限元分析密封件模型，基于位移狀態(tài)分析平滑有限元分析密封件模型的應(yīng)變曲線(xiàn)圖。
文檔編號(hào)E21B33/06GK101517193SQ200780035901
公開(kāi)日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2007年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月28日
發(fā)明者謝菲克·卡恩多克 申請(qǐng)人:海德里爾美國(guó)制造有限責(zé)任公司