автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Метод оценки работоспособности эластомерных деталей с учетом упруговязкопластических свойств материала

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 108 ЭЛАСТОМЕРОВ УПЛОТНЕНИЙ.

4.1. Проектирование подушек толкателя кабеля.

4.1.1 Выбор размера толкателей и формы подушек.112"

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.

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;

• использование разработанной модели в конечно-элементной программе для проектирования деталей с учетом ползучести и релаксации, восстанавливаемости при циклических нагрузках, разработка рекомендаций по выбору материала.

Научная новизна состоит в следующем

• с единых позиций упруговязкопластической модели эластомера получены выражения для релаксирующего модуля, частотных и амплитудных зависимостей динамического модуля;

• разработана методика определения параметров модели, базирующаяся на обработке экспериментальных данных о релаксации и ползучести, частотных и амплитудных зависимостях динамического модуля;

• показана адекватность описания упруговязкопластической моделью поведения эластомера.

Практическая ценность работы состоит в том, что использование разработанного метода оценки работоспособности эластомерных деталей с учетом упруговязкопластических свойств в конечно-элементной программе увеличило возможности программы для целей проектирования деталей. В частности, были спроектированы уплотнения, грязесъемники и толкатель с * подушками для кабеля. Спроектированные детали могут быть использованы на большинстве нефтепромыслов. Применение модели позволило разработать экспресс-методику проведения экспериментов для сравнения и выбора эластомеров, имеющих различные проявления вязкопластических свойств. Достоверность полученных результатов обеспечивается:

• сравнением точности (верификацией) численных решений конечно-элементной программы с известными аналитическими решениями в упругой линейной и нелинейной постановках; сравнением результатов, получаемых известными коммерческими программами с учетом вязкопластических свойств и граничного трения;

• сравнением характеристик спроектированных деталей с учетом полученных на образцах свойств эластомера и прототипов, изготовленных из этого же материала.

Экспериментальная проверка соответствия характеристик изготовленных прототипов требованиям технического задания показала эффективность разработанного метода.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на семинарах кафедры «Машиноведение, системы приводов и детали машин», в НИИРПИ в отделе РТИ, на IV международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения» СПБГТУ 2001 г, а также на материалах V всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования в технических университетах» СПБГТУ, 2001 г.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литература. Общий объем диссертационной работы 136 страниц.

Основные результаты изложенных в диссертации исследований состоят в следующем.

1. Разработан метод оценки работоспособности эластомерных деталей с учетом упруговязкопластических свойств материала. В основе метода лежит применение реологической модели, адекватно описывающей поведение эластомера при релаксации, ползучести и в динамике в виде частотных и амплитудных зависимостей модуля. Метод позволяет точнее оценивать работоспособность деталей по критериям, проявление вязкопластических свойств в которых существенно: квазистатическая и динамическая жесткости, эпюры контактных напряжений, прочность.

2. Модель встроена в конечно-элементную программу расчета резиновых деталей. Разработанные алгоритмы позволяют определять параметры модели из данных экспериментов и в дальнейшем производить расчет деталей, выполненных из этого эластомера.

3. Осуществлено многогранное тестирование встроенных процедур. Сравнением точности численных решений с аналитическими, а также доступными решениями иных программ подтверждена возможность получения решений с любой относительной ошибкой. Сравнением экспериментальных характеристик деталей с расчетными (с учетом полученных на образцах свойств эластомера) показаны удовлетворительные возможности метода и его программной реализации.

4. Спроектированы, изготовлены и испытаны с удовлетворительными результатами кольцевые уплотнения главной герметизирующей системы кабеля. Анализ вариантов (форма уплотнений и тип эластомера) осуществлялся с использованием разработанного метода. Система уплотнений с резервированием (три блока) обеспечила герметичность на требуемом пути трения и минимальную силу при проталкивании кабеля.

5. Спроектированные по тем же принципам грязесъемники, предохраняющие главный уплотнитель, показали удовлетворительные результаты в тестовых испытаниях. Грязесъемники приняты к эксплуатации.

6. Обоснован выбор цепного толкателя кабеля с эластомерными подушками. Анализ вариантов (форма подушек и тип резины) осуществлялся с использованием рассматриваемой модели эластомера. Спроектированный и изготовленный стенд показал удовлетворительное совпадение результатов экспериментов на изготовленных прототипах подушек с расчетными прогнозами. Удовлетворительные результаты опытно-промышленной партии подушек позволяют перейти к их серийному использованию на скважинах.

7. Разработана экспресс-методика проведения экспериментов для сравнения и выбора эластомеров, имеющих различные проявления вязкопластических свойств. В частности, эластомер рекомендованный по критерию максимальной восстанавливаемости, проявил наилучшие герметизирующие свойства в уплотнениях, выполненных из материалов, подвергавшихся сравнению.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Айвен В. Д. Амплитудно-частотные характеристики системы с двумя степенями свободы и с прямолинейной петлей гистерезиса. Прикладная механика, № 1. Мир, 1965.

2. Бартенев Г. М. Структура и релаксационные свойства эластомеров. М., Химия, 1972.-288 с.

3. Бленд Д. Теория линейной вязкоупругости. М., Мир, 1965.- 116 с.

4. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник/ Под ред. Голубева А.И., .Кондакова Л.А. М.: Машиностроение, 1986. -462 с.

5. Ильюшин А. А., Огибалов П. М. Некоторое обобщение моделей Фойхта и Максвелла. Механика полимеров, 1966. № 2.

6. Ишлинский А. Ю. Об уравнениях пространственного деформирования не вполне упругих и вязкопластических тел, Изв. АН СССР, ОТН,№ 3, 1945.

7. Кадашевич Ю. И., Новожилов В. В. Об учете микронапряжений в теории пластичности. МТТ, № 3, 1968.

8. Кадашевич Ю. И., Новожилов В. В. О влиянии начальных микронапряжений на макроскопическую деформацию поликристаллов. ПММ, № 5.1968.

9. Пажина П. Основные вопросы вязкопластичности. М., Мир, 1968. -176 с.

10. Пальмов В. А. Колебания упругопластических тел. М., Наука, 1976. -328с.

11. Писаренко Г.С., Можарский Н.С. Уравнения и краевые задачи теории пластичности и ползучести. Киев, Наукова думке, 1981. -496 с.

12. Попов Е. П., Пальтов И. П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем, Физматгиз,1960.

13. Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. М: Наука,1979.

14. Российский ГОСТ 10828-75. Метод определения динамического модуля и модуля внутреннего трения при знакопеременном изгибе с вращением.

15. Российский ГОСТ 10952-75. Метод определения усталостной выносливости при знакопеременном изгибе с вращением.

16. Степанов Р.Д., Шленский О.Ф. Расчет на прочность конструкций из пластмасс, работающих в жидких средах. М.: Машиностроение, 1981.

17. Тимошенко С.П., Дж. Гудьер. Теория упругости -2-е изд.-М.: Наука,1979, 560 с.

18. Lindley P.B. Compression characteristics of laterally-unrestrained rubber O-rings. J. strain analysis 1967.

19. Sackfield A., Hills D. A. A note on the Hertz contact problem: Correlation of standard formulae J. Strain Analysis, 1983, 18, p. 195.