压缩封隔器橡胶圆柱体褶皱失稳的数值研究：几何形状、摩擦及网格划分策略的影响

《Applied Sciences》：Numerical Investigation of Creasing Instability in Compression Packer Rubber Cylinders: Effects of Geometry, Friction, and Meshing Strategy

　　## 特色应用研究结果可为井下油气应用中无起皱压缩封隔器橡胶圆柱体的设计提供指导，特别是指导橡胶长度、径向间隙和膨胀比的选型，以防止因起皱导致的密封失效。---## 摘要橡胶圆柱体是压缩封隔器的核心密封元件，其结构稳定性直接决定井下密封的可靠性。橡胶圆柱体由氢化丁腈橡胶（HNBR）制成，中心管、支撑环和套管由35CrMo钢制成。在轴向压缩过程中，橡胶圆柱体可能发生局部起皱失稳，其特征是尖锐的自接触褶皱，导致严重的应力集中并降低密封性能。本文对橡胶圆柱体的起皱行为进行了系统的有限元研究，重点关注网格划分策略、界面摩擦和几何参数。提出了一种优化的网格划分策略，能够捕捉起皱和自接触现象，表明网格尺寸需小于0.5 mm。采用分区摩擦模型来区分不同界面的摩擦学作用：增加支撑环处的摩擦力可抑制肩部突出，而增加中心管处的摩擦力可降低接触应力。在所研究的封隔器几何形状和工况条件下，起皱开始发生的临界膨胀比约为1.13。增加橡胶圆柱体长度和减小径向间隙被确定为有效抑制起皱的措施。起皱成核时的对数应变约为?0.66，比Biot线性屈曲阈值（?0.61）更为负值。这种更深的应变在力学上归因于鼓胀引起的曲率和叠加的弯曲压缩，证实起皱是一种非线性失稳。本工作为准静态条件下封隔器橡胶圆柱体的防起皱设计提供了数值参考。