Details

Это техническое задание направлено на систематическое исследование механических свойств, конструктивного проектирования и выбора резиновых материалов для резинового элемента герметизатора. Герметизатор, как ключевой компонент для подземного уплотнения, имеет резиновый элемент, конструкция и свойства которого напрямую определяют надежность уплотнения и безопасность несущей способности. В настоящее время проводится моделирование резиновых компонентов, а результаты анализируются, чтобы проверить, может ли спроектированная деталь эффективно и стабильно выполнять свои функции в реальных рабочих условиях и иметь длительный срок службы. В первой части работы проведена характеристика механических свойств двух кандидатов на резину. С помощью одновременных испытаний на растяжение вулканизованных образцов получены кривые инженерного напряжения-деформации, а также ключевые параметры, такие как истинная прочность при растяжении и удлинение при разрыве. В расчетах использована сжимаемая нелинейная эластичная модель, выбрана полиномиальная потенциальная функция для описания гиперпластического поведения, определены несколько упругих и сжимающих констант, что обеспечивает точные данные для последующего анализа методом конечных элементов. Вторая часть сосредоточена на комплексном анализе существующей конструкции пакера методом конечных элементов.. На основе чертежей была создана осесимметричная модель конечных элементов. Граничные условия установлены так: нижняя поверхность зафиксирована для моделирования вулканизированного соединения резины с металлом, на верхнюю поверхность приложено вертикальное перемещение для создания сжимающей нагрузки, а внешняя поверхность ограничена жесткой поверхностью для контакта. При диапазоне хода вниз от 45 мм до 50 мм были рассчитаны деформационная форма пакера, кривая нагрузка‑сжатие, поле главных напряжений и распределение контактных напряжений на наружном диаметре. Путем проведения конечно-элементного моделирования с использованием параметров различных материалов мы сравнили полученные результаты и выбрали наиболее подходящий резиновый материал. В третьей части работы предложено несколько вариантов оптимизации конструкции резинового изделия. При сохранении неизменными всех остальных условий для каждого варианта выполнено конечно-элементное моделирование с получением результатов расчетов после оптимизации. По итогам сравнения был выбран наиболее эффективный вариант оптимизации, проведен его подробный анализ и сделаны итоговые выводы.

This technical task aims to systematically investigate the mechanical properties, structural design and material selection of rubber for the sealing rubber element. As a core underground sealing component, the packer is equipped with a rubber element whose structure and performance directly determine sealing reliability and load-bearing safety. At present, numerical modelling of rubber components is being carried out, and the calculation results are analysed to verify whether the designed part can operate efficiently and stably under actual working conditions with a long service life. The first section of the paper characterises the mechanical properties of two candidate rubber grades. Uniaxial tensile tests on vulcanised specimens were performed to obtain engineering stress–strain curves, together with key indicators including true tensile strength and elongation at break. A compressible nonlinear elastic constitutive model was adopted for calculations; a polynomial strain energy potential function was selected to describe hyperelastic behaviour, and multiple elastic and compressibility constants were calibrated, providing accurate input data for subsequent finite element analysis. The second section presents a comprehensive finite element analysis of the original structure. An axisymmetric finite element model was built based on engineering drawings. Boundary conditions were defined as follows: the bottom surface was fully fixed to simulate the vulcanised bonding interface between rubber and metal; vertical displacement was applied to the top surface to impose compressive loading; the outer surface was constrained by a rigid contact surface. For compression strokes ranging from 45 mm to 50 mm, the packer’s deformed shape, load-compression curve, principal stress field and contact stress distribution along the outer diameter were calculated. Finite element simulations using material parameters of different rubbers were conducted, the resulting data were compared, and the optimal rubber material was determined. The third section proposes several structural optimisation schemes for the rubber component. All other operating conditions were kept constant, and finite element modelling was performed for each alternative to obtain post-optimisation calculation results. Comparative evaluation identified the most effective optimisation scheme, which was analysed in detail, followed by final conclusions.

• РЕФЕРАТ
• ABSTRACT
• СОДЕРЖАНИЕ
• ВВЕДЕНИЕ
• Глава 1. Обзор запрессовочного пакера и введение
  • 1.1 Обзор резиновых сальников и сфер их применения
  • 1.2. Введение в характеристики резиновых материало
  • 1.3. Обзор потенциальных рисков нефтяного резиново
• Глава 2. Теория нелинейной упругости
  • 2.1 Формы моделей и модифицированные инварианты
  • 2.2 Физическое разложение функции энергии деформац
  • 2.3 Применение модели и проверка параметров
• Глава 3. Конечно-элементное моделирование и механ
  • 3.1 Построение геометрической модели и корректиров
  • 3.2 Теория определяющих соотношений гиперупругих м
  • 3.3 Геометрическая нелинейность и управляющие урав
  • 3.4 Нелинейное инкрементальное решение и устойчиво
  • Резюме этой главы
• Глава 4. Подтверждение параметров материала пакер
  • 4.1 Подтверждение параметров резины
  • 4.2 Создание первоначальной модели и анализ выводо
  • 4.3 Оптимизация формы пакера
    • 4.3.1 Полукруглая оптимизационная схема
    • 4.3.2 Метод оптимизации треугольника
    • 4.3.3 Метод арочного оптимизации
    • 4.3.4 Сравнение результатов
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ