封隔器卡瓦三维光弹性应力分析

　　Y422-114 封隔器的实际结构是比较复杂的，由相当多的零部件构成。为掌握卡瓦及套管在实际工作过程中的应力分布，尤其是卡瓦与套管之间咬合力的分布规律，文中对封隔器的实际结构进行了简化，建立了相应的力学模型。该力学模型主要由锥体、卡瓦及套管等组成，忽略了与力学分析无关的零部件，模型中零部件的几何形状、尺寸和材料都与实际结构相同，见图1，2。

　　三维光弹性实验是按照可取桥塞的力学模型来建立实验模型的。由于卡瓦的应力状态属于三维应力问题，而且需要检测卡瓦的内部应力及接触应力，三维光弹性实验在解决这些问题时具有独特的优点。目前光弹性实验采用的方法有冻结法、散光法、三维全息光弹性法等，其中冻结法用得最为广泛。文中应用冻结法，所用的光弹性材料为环氧树脂塑料[1]。

　　1 光弹性实验模型

　　由于卡瓦力学模型比较大，给三维光弹性实验带来相当大的困难。为了实验的顺利进行，与力学实验模型相比较，光弹实验模型的几何尺寸缩小为1/2，且在制作光弹实验模型时，仅有4 个周向均匀分布的卡瓦，2 种模型的这种差别，可对实验数据通过相似关系来解决。卡瓦在上下2 个锥体的挤压下沿径向移动(见图2)，但受制于套筒，形成卡瓦锚爪与套筒内壁的接触挤压。

　　2 三维光弹性模型冻结实验

　　根据有限元数值计算结果，考虑到实际加载时摩擦力的影响，实验中采用的轴向加载载荷为PM=50 N。文中采用了圆盘对径向受压标定法，测得环氧树脂塑料的条纹值为 0.3 N/mm。对三维空间结构应力分析，光弹性实验采用冻结技术，将三维光弹性实验模型和用于材料条纹值标定的小圆盘一起放进炉中，进行加载及高温处理后冻结，冻结温度的工艺曲线见图3。环氧树脂在外力作用下，内部有应力产生，并造成材料的暂时双折射。在120 ℃环氧树脂将表现为“固”、“液”二相性，其中“液”态不承受外力作用，只是固态物质承受外力作用而发生弹性变形。如果此时把温度降到室温状态，则“液”态将固化，并把变形冻结下来成为光弹性模型的内应力，即使去除外力，环氧树脂模型中的应力仍被“冻结”下来[2]。

　　3 光弹性模型的切片分析

　　考虑到卡瓦锚爪与套管内表面的接触状况，将在卡瓦模型的 2 端(即接触部分)及中间部位沿轴向切割 3 条切片[3]。将光弹冻结模型的切片放到光弹仪中进行分析，可以获得光弹模型切片的等色条纹图，见图4，光弹模型切片中各锚爪顶部条纹级数见表1。