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摘 要：钢片叠层的整体强度以及钢片之间的相互接触应力，决定了水力锚的锚定效果，直接关系到封隔器的坐封性能，从而影响裸眼酸化作业的成败。本文针对钢片叠层循环对称结构建立ANSYS分析模型，进行了初步分析。
关键词：循环对称 钢片叠层 有限元分析
一、前言
裸眼井分层测试技术在测试工艺上采用膨胀式的测试原理。裸眼水力锚是协助封隔器来克服液压顶推力。因此相关性研究人员提出设计锚定效果好、适用于裸眼的水力锚。研究水力锚的钢片叠层的骨架芯子力学行为是整个水力锚力学研究的重点之一。钢片叠层的整体强度以及钢片之间的相互接触应力，决定了水力锚的锚定效果，直接关系到封隔器的坐封性能，从而影响裸眼酸化作业的成败。
钢片叠层的内部结构比较复杂，为了突出研究重点，弄清钢片膨胀之后的相互接触的应力分布规律。本文对对钢片叠层的力学模型进行了合理的简化。根据钢片叠层循环对称结构，周向钢片设计片数是180片，内外型面的曲线是渐开线形状。根据设计的材料、尺寸、几何形状建立 ANSYS分析模型。
二、钢片的有限元模型
根据分析的需要，在尊重客观事实的基础上，忽略一些对钢片力学分析的次要因素，能够减少计算的工作量，方便分析计算的顺利进行。在建立有限元模型中进行如下的几点举措：
（一）钢片叠层呈现循环对称性，基于设计的片数为180片。（建模中取180片）那么有限元模型可以取相邻两片作为力学模型。即使 建立模型。
（二）由于中心管、内胶筒、端部接头等零件对钢片间的接触应力分析没有多大影响，所以建模中忽略了这些零件。
（三）钢片外周的锯齿齿牙对钢片的接触分析影响不大，为了方便模型的建立，减少计算量，忽略外周锯齿的形状。
三、钢片的有限元模型分析
（一）单元选取
钢片模型分析需采用实体单元。本文钢片有限元计算采用SOLID45单元类型。
（二）网格划分
自由网格划分的实体模型建立简单，无较多的限制，网格划分时系统可根据模型的形状自动选择不同的单元类型、密度进行组合搭配。网格划分后得到的单元可为全部三角形，或四边形与三角形的混合。映射网格划分后的单元全部为四边形，不易出现形状异常单元。在单元数目相同的情况下，对于同一块面积的有限元分析，四边形的精度要比三角形高一些。但是，采用映射网格划分，对模型有较多的限制。本文对钢片的网格划分适用映射网格。如图：
（三）接触点对
相邻钢片两两接触属于三维（3D）面-面接触方式，我们把钢片接触面的内凹型面当作“接触面”，外凸型面当作“目标面”。根据接触点对的选取接触面采用conta174接触单元，目标面采用targe170接触单元。
Tager170常用于描绘各种三维（3D）的接触表面，这种接触单元适用于固体变形体的边界接触和一些潜在的目标面接触。
conta174常用于三维接触面和可变形的表面的接触或者滑行接触。它适用于三维结构和关联区域的接触分析。
（四）边界条件
钢片膨胀力学过程的分析以及接触实际情况比较复杂，对钢片有限元模型边界约束和载荷施加进行了如下的简化：
1.在上下钢片渐开线型截面施加全约束。
2.由于有限元模型为实际模型的1/90，所以钢片的周向侧面施加对称约束。
3.根据相关数据，在钢片与内胶筒的接触面施加30Mpa的面力。
四、结论
根据上述应力分布可以得出以下结论：
（一）钢片中间接触区域应力较小，并且应力分布均匀，区域面积占整个钢片表面很大比例。符合实际情况。（二）钢片表面接触应力最大位置集中出现在钢片与井壁接触一侧的区域。并且大部分在两边角地带，甚至边角极小区域出现应力集中现象。（三）就整个钢片接触的应力分布情况，绝大部分应力分布是安全的，并且符合实际情况。对于出现应力集中的边角区域在加工的过程可以考虑将钢片边角角度加工成圆角，与内胶筒接触一侧钢片边缘区域可以经过时效硬化增加其强度。（四）根据分析的结果，钢片部分区域发生了极小的塑性变形，该区域分布在内胶筒与钢片接触区域。但是这些塑性变形不会影响对整个膨胀锚定，或者损伤胶筒导致内胶筒划伤而膨胀性能降低。
关键词：循环对称 钢片叠层 有限元分析
一、前言
裸眼井分层测试技术在测试工艺上采用膨胀式的测试原理。裸眼水力锚是协助封隔器来克服液压顶推力。因此相关性研究人员提出设计锚定效果好、适用于裸眼的水力锚。研究水力锚的钢片叠层的骨架芯子力学行为是整个水力锚力学研究的重点之一。钢片叠层的整体强度以及钢片之间的相互接触应力，决定了水力锚的锚定效果，直接关系到封隔器的坐封性能，从而影响裸眼酸化作业的成败。
钢片叠层的内部结构比较复杂，为了突出研究重点，弄清钢片膨胀之后的相互接触的应力分布规律。本文对对钢片叠层的力学模型进行了合理的简化。根据钢片叠层循环对称结构，周向钢片设计片数是180片，内外型面的曲线是渐开线形状。根据设计的材料、尺寸、几何形状建立 ANSYS分析模型。
二、钢片的有限元模型
根据分析的需要，在尊重客观事实的基础上，忽略一些对钢片力学分析的次要因素，能够减少计算的工作量，方便分析计算的顺利进行。在建立有限元模型中进行如下的几点举措：
（一）钢片叠层呈现循环对称性，基于设计的片数为180片。（建模中取180片）那么有限元模型可以取相邻两片作为力学模型。即使 建立模型。
（二）由于中心管、内胶筒、端部接头等零件对钢片间的接触应力分析没有多大影响，所以建模中忽略了这些零件。
（三）钢片外周的锯齿齿牙对钢片的接触分析影响不大，为了方便模型的建立，减少计算量，忽略外周锯齿的形状。
三、钢片的有限元模型分析
（一）单元选取
钢片模型分析需采用实体单元。本文钢片有限元计算采用SOLID45单元类型。
（二）网格划分
自由网格划分的实体模型建立简单，无较多的限制，网格划分时系统可根据模型的形状自动选择不同的单元类型、密度进行组合搭配。网格划分后得到的单元可为全部三角形，或四边形与三角形的混合。映射网格划分后的单元全部为四边形，不易出现形状异常单元。在单元数目相同的情况下，对于同一块面积的有限元分析，四边形的精度要比三角形高一些。但是，采用映射网格划分，对模型有较多的限制。本文对钢片的网格划分适用映射网格。如图：
（三）接触点对
相邻钢片两两接触属于三维（3D）面-面接触方式，我们把钢片接触面的内凹型面当作“接触面”，外凸型面当作“目标面”。根据接触点对的选取接触面采用conta174接触单元，目标面采用targe170接触单元。
Tager170常用于描绘各种三维（3D）的接触表面，这种接触单元适用于固体变形体的边界接触和一些潜在的目标面接触。
conta174常用于三维接触面和可变形的表面的接触或者滑行接触。它适用于三维结构和关联区域的接触分析。
（四）边界条件
钢片膨胀力学过程的分析以及接触实际情况比较复杂，对钢片有限元模型边界约束和载荷施加进行了如下的简化：
1.在上下钢片渐开线型截面施加全约束。
2.由于有限元模型为实际模型的1/90，所以钢片的周向侧面施加对称约束。
3.根据相关数据，在钢片与内胶筒的接触面施加30Mpa的面力。
四、结论
根据上述应力分布可以得出以下结论：
（一）钢片中间接触区域应力较小，并且应力分布均匀，区域面积占整个钢片表面很大比例。符合实际情况。（二）钢片表面接触应力最大位置集中出现在钢片与井壁接触一侧的区域。并且大部分在两边角地带，甚至边角极小区域出现应力集中现象。（三）就整个钢片接触的应力分布情况，绝大部分应力分布是安全的，并且符合实际情况。对于出现应力集中的边角区域在加工的过程可以考虑将钢片边角角度加工成圆角，与内胶筒接触一侧钢片边缘区域可以经过时效硬化增加其强度。（四）根据分析的结果，钢片部分区域发生了极小的塑性变形，该区域分布在内胶筒与钢片接触区域。但是这些塑性变形不会影响对整个膨胀锚定，或者损伤胶筒导致内胶筒划伤而膨胀性能降低。