文档介绍：摘要:膨胀技术包括膨胀管与膨胀芯头两个部分,本文针对膨胀芯头的结构设计进行讨论。首先分析了膨胀芯头的结构组成;然后根据有限元理论进行力学模型的建模并进行膨胀模拟;最后对模拟结果进行详细分析。关键词:膨胀套管膨胀芯头结构设计一、膨胀芯头的结构膨胀芯头的结构多种多样,但是不管哪种芯头,为了将管子内壁与芯头的摩擦降至最低,其工作过程中的核心部分均为一种锥形结构,其结构大概如下图1所示:图1膨胀芯头外形结构图1(a)图中为芯头锥角,I区为导向区,II区为膨胀区,III区为定径曲,(b)较为模拟芯头实体。膨胀作业过程中,芯头膨胀区向管子内壁施压使其产生塑性变形,定径区则防止管壁发生回弹。下式可以计算出膨胀区圆锥段的长度:l=D-d/2tanα其中D即芯头定径区直径。芯头锥角是膨胀芯头最主要的几何参数,膨胀的功耗与膨胀力的大小与锥角α选值的合理性有直接关系,膨胀后管内壁的表面质量也会受其影响。在选择α时要注意以下几点:膨胀管在接触变形区的金属流动要尽可能的流畅;膨胀接触区润滑条件的建立要良好;膨胀管轴线与膨胀芯头的轴线要重合,以保证膨胀力方向与膨胀管轴线处于同一方向;膨胀力要尽量小[2]。此外,由于膨胀芯头会受到很大的界面应力与摩擦,因此要求膨胀芯头的材料在硬度高、抗磨性好、强度高,且有良好的冲击韧性与延性。目前主要采用金属芯头。二、力学模型与膨胀模拟根据有限元理论,膨胀套管与膨胀芯头的力学模型如下图2所示:图2膨胀芯头与膨胀管的力学模型由此图可以看出,膨胀芯头的结构呈现出对称性的特点,为便于定性定量的分析,设两种膨胀芯头的材料、约束条件、膨胀管与膨胀幅度均相同,且忽略管体壁厚不均度与管体的不圆度等因素,即假定膨胀套管为理想的同心圆管。建立模型时采用参数化设计APDL,即结构参数可做任意更改,以保证获取更优化的计算结果。结构参数的选择:,套管钢级选择N80,,由于膨胀后管体的抗外挤强度会有所下降,为使其膨胀后套管抗外挤强度可以满足要求,所以选择厚壁管,,膨胀芯头行程1000mm。该模型为材料非线性中大应变接触问题的范畴,膨胀芯头材料的屈服强度要远远大于膨胀套管的屈服强度,所以将其设为刚体,对应的膨胀套管则设为柔体。二者采用面面接触的方式进行接触[3]。利用有限元分析软件ANSYS系统进行自动建模,基于特定的约束条件进行弹塑性接触的有限元分析,进行复杂载荷工况下的位移与应力计算,并绘制出不同工况状态时的结构变形图以及分布曲线图。三、模拟结果分析在整个模拟过程中,膨胀芯头的行程为1000mm,在膨胀管内壁接触面上,沿轴间隔10mm则取一个节点,选择对应的等效应力、接触应力以及轴向收缩量。单级膨胀芯头与多级膨胀芯头的计算结果如下图3-图5所示:图3膨胀内等效应力图4膨胀管接触应力图5膨胀后膨胀管的轴向收缩量第一,膨胀后套管内的等效应力:由图3可以看出,,,二者几乎相等。这是因为同种材料拥有相同的应力-应变曲线,二者均进入材料的塑性应变区,所以最大等效应力相同。第二,膨胀后套管残余应力:由上图4可以看出,相对而言,单级膨胀芯头膨胀后残余应力为275MPa,稳定性较好;而多级膨胀芯头膨胀后的残余应力在420MPa左