封隔器仿生鳞片齿卡瓦微牙痕及稳定性研究

传统封隔器卡瓦在长期锚定套管内壁时,卡瓦牙与套管接触面会形成咬痕,过大的咬入深度可能会导致套管内壁遭到破坏,甚至失效。通过建立常规齿和仿生鳞片齿卡瓦牙与弹性套管半空间体接触模型,推导出在弹性区域和塑性区域内卡瓦牙与套管相互作用力和压入深度的关系。并且对比常规齿卡瓦牙型结构参数,构建了仿生鳞片齿卡瓦牙型结构参数,建立了锥体-卡瓦-套管三维接触有限元模型,采用有限元数值模拟和正交优化相结合的方法得出仿生鳞片齿卡瓦最佳牙型结构参数为:卡瓦牙倾角β′=90°、卡瓦锥角γ′=15°、卡瓦牙顶角α′=72°、鳞片齿长半轴R=5 mm、鳞片齿短半轴r=3 mm。研究结果表明:优化后的仿生鳞片齿卡瓦比优化后的常规齿卡瓦在套管内表面产生的应力减小了7.8%,牙痕深度减小了18.6%,证明了仿生鳞片齿卡瓦的微牙痕效果。由数值模拟得出不同摩擦因数下常规齿卡瓦和仿生鳞片齿卡瓦与套管接触压力的合力随时间变化曲线,摩擦应力的合力随时间变化曲线和接触面积随时间变化曲线,从曲线可以看出仿生鳞片齿卡瓦的稳定性比常规齿卡瓦更优。研究结果可为封隔器的研究与应用提供参考。