本文從系統(tǒng)的角度出發(fā)，綜合應(yīng)用彈塑性力學(xué)、接觸有限元理論、數(shù)值分析方法、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，在國(guó)內(nèi)率先建立了考慮膠筒非線性、大變形特征的封隔器系統(tǒng)工作行為仿真模型，并通過實(shí)驗(yàn)建立了封隔器膠筒材料在井底實(shí)際工況下的本構(gòu)關(guān)系模型。

為了將所建立的仿真模型更好地應(yīng)用到封隔器的設(shè)計(jì)上，本文運(yùn)用混合編程思想開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的封隔器系統(tǒng)工作行為仿真軟件，并在自行設(shè)計(jì)的封隔器試驗(yàn)臺(tái)架上完成了Y341-148型封隔器臺(tái)架試驗(yàn)，驗(yàn)證了所建立數(shù)學(xué)模型和所開發(fā)仿真軟件的正確性，為封隔器及井下工具的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和新產(chǎn)品開發(fā)提供了一種新的理論方法和技術(shù)手段，進(jìn)一步提高了我國(guó)封隔器的設(shè)計(jì)理論和研究水平。

主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1建立了Y341-148型封隔器零部件的三維實(shí)體模型，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)裝配和運(yùn)動(dòng)干涉檢驗(yàn)，運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)其關(guān)鍵零部件進(jìn)行了有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)現(xiàn)有封隔器的結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)意見，增強(qiáng)了現(xiàn)有Y341-148型封隔器的可靠性，提高了其工作性能；

2膠筒是封隔器的關(guān)鍵部件，由于目前國(guó)內(nèi)尚缺乏封隔器膠筒在井底實(shí)際工況下的材料力學(xué)性能參數(shù)，本文采用中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院的SB802熱-機(jī)綜合疲勞試驗(yàn)機(jī)開展了封隔器膠筒目前所用4種橡膠材料在模擬實(shí)際工作環(huán)境下的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，測(cè)定了這4種橡膠材料在不同載荷、不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，建立了與井下實(shí)際工況相對(duì)應(yīng)的膠筒材料本構(gòu)關(guān)系，為建立封隔器膠簡(jiǎn)接觸有限元模型、封隔器系統(tǒng)工作行為仿真模型提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為仿真軟件的運(yùn)行提供了可靠的參數(shù)；

3根據(jù)封隔器膠筒在工作過程中的非線性、大變形特征，將膠筒柔性體與膠筒座、套管壁等剛性體運(yùn)動(dòng)過程中的接觸區(qū)域處理為持續(xù)變化的非線性邊界條件，建立了封隔器膠筒的非線性接觸有限元模型。

模型中采用變節(jié)點(diǎn)的四邊形等參單元，依據(jù)結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)力集中程度確定了網(wǎng)格大小密度和分布方式，預(yù)設(shè)了結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)以便于結(jié)構(gòu)尺寸變化后網(wǎng)格自動(dòng)離散。

該模型的建立為開展封隔器系統(tǒng)在井底真實(shí)工況下的工作行為仿真研究奠定了基礎(chǔ)；

4綜合運(yùn)用彈塑性力學(xué)及有限元分析的理論和方法，根據(jù)封隔器的工作狀態(tài)和其零部件在工作過程中的運(yùn)動(dòng)、受力、變形特征及其相互作用關(guān)系，將封隔器簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱形式，率先在國(guó)內(nèi)建立了考慮膠筒大變形特征的封隔器系統(tǒng)工作行為仿真模型，該模型可以模擬封隔器在坐封、密封、解封三種工況下的運(yùn)動(dòng)過程和力學(xué)行為，真實(shí)的反應(yīng)封隔器在工作過程中包括膠筒在內(nèi)各零部件的運(yùn)動(dòng)、受力和變形情況，為封隔器的設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開發(fā)提供了新的理論依據(jù)；

5針對(duì)仿真模型中膠筒柔性體的非線性、大變形特征和金屬零件的線性、小變形混合問題，開展了封隔器工作行為仿真模型的求解數(shù)學(xué)方法研究，采用增量載荷法實(shí)現(xiàn)了對(duì)仿真模型的求解。

在網(wǎng)格離散的基礎(chǔ)上，建立了增量形式的線性及非線性有限元方程；對(duì)于線性方程組，采用直接求解方式波前法求解每一迭代步內(nèi)增量形式的有限元方程，對(duì)于非線性有限元方程，采用增量迭代法修正的LagrangeU.L.法進(jìn)行求解，將N-R法用于每一增量步切線剛度法；對(duì)于接觸區(qū)也采用增量形式迭代求解，在瞬時(shí)構(gòu)形中討論了接觸邊界的變化；仿真模型求解的實(shí)現(xiàn)使得本文理論研究工作具有更大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；

6利用混合編程思想開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的封隔器系統(tǒng)工作行為仿真軟件。

軟件采用VisualFortran6.5和VisualBasic6.0開發(fā)，兩種語(yǔ)言優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既具有Fortran語(yǔ)言的運(yùn)算效率高、速度快的優(yōu)點(diǎn)，又達(dá)到了界面美觀、操作簡(jiǎn)便的要求。

該仿真軟件的開發(fā)使本文所建立的數(shù)學(xué)模型能應(yīng)用到封隔器的生產(chǎn)實(shí)際中，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步改進(jìn)封隔器的結(jié)構(gòu)、提高其工作性能和開發(fā)新型封隔器提供了一種新的設(shè)計(jì)和分析手段；

7自行設(shè)計(jì)并建造了封隔器工作性能試驗(yàn)臺(tái)架，并完成了封隔器臺(tái)架試驗(yàn)研究，由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)封隔器系統(tǒng)工作行為仿真模型及軟件的驗(yàn)證。

測(cè)試數(shù)據(jù)主要包括膠筒接觸應(yīng)力大小、分布規(guī)律、軸向位移及外套、上活塞、下活塞應(yīng)力、應(yīng)變大小及分布規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比表明仿真軟件計(jì)算結(jié)果都符合工程使用要求，這進(jìn)一步說明本文所建立的封隔器系統(tǒng)工作行為仿真模型、求解方法以及仿真軟件正確，并具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，試驗(yàn)臺(tái)架的建立也為我國(guó)封隔器新產(chǎn)品的開發(fā)提供了一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)。

綜上所述，本文的研究工作為進(jìn)一步提高現(xiàn)有封隔器及井下工具的綜合性能、改進(jìn)其結(jié)構(gòu)和研制新型井下封隔器提供了新的理論和方法，也為石油鉆采工具的研究提供了一條新的思路.