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
Рисунок 1. Схема работы пакера
Была рассмотрена работа части системы пакера, которая состоит из колец компенсатора, штока, плашки, сепараторов, корпуса и т. д. Модель представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Рассматриваемая модель части системы пакера
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.
Рисунок 3. Отредактированная расчетная модель
Поскольку используется только половина модели, то была приложена только половина нагрузки. В качестве граничных условий в модели использованы опоры frictionless support и fixed support.
Рисунок 4. Нагрузки и опоры в модели.
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.
Рисунок 5. Разошедшееся решение
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.
Рисунок 6. Полные перемещения в модели.
Рисунок 7. Эквивалентные напряжения в кольцах компенсатора.
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).
Рисунок 8. Коэффициент запаса для 30 000 циклов нагружения
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.