本文從系統的角度出發，綜合應用彈塑性力學、接觸有限元理論、數值分析方法、計算機仿真技術等多學科知識，在國內率先建立了考慮膠筒非線性、大變形特征的封隔器系統工作行為仿真模型，并通過實驗建立了封隔器膠筒材料在井底實際工況下的本構關系模型。

為了將所建立的仿真模型更好地應用到封隔器的設計上，本文運用混合編程思想開發了具有自主知識產權的封隔器系統工作行為仿真軟件，并在自行設計的封隔器試驗臺架上完成了Y341-148型封隔器臺架試驗，驗證了所建立數學模型和所開發仿真軟件的正確性，為封隔器及井下工具的設計、改進和新產品開發提供了一種新的理論方法和技術手段，進一步提高了我國封隔器的設計理論和研究水平。

主要體現在以下幾個方面:1建立了Y341-148型封隔器零部件的三維實體模型，進行了結構裝配和運動干涉檢驗，運用有限元分析軟件對其關鍵零部件進行了有限元分析和結構優化，根據分析結果對現有封隔器的結構提出了改進意見，增強了現有Y341-148型封隔器的可靠性，提高了其工作性能；

2膠筒是封隔器的關鍵部件，由于目前國內尚缺乏封隔器膠筒在井底實際工況下的材料力學性能參數，本文采用中國燃氣渦輪研究院的SB802熱-機綜合疲勞試驗機開展了封隔器膠筒目前所用4種橡膠材料在模擬實際工作環境下的力學性能試驗研究，測定了這4種橡膠材料在不同載荷、不同溫度下的應力-應變數據，建立了與井下實際工況相對應的膠筒材料本構關系，為建立封隔器膠簡接觸有限元模型、封隔器系統工作行為仿真模型提供了數據基礎，為仿真軟件的運行提供了可靠的參數；

3根據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、套管壁等剛性體運動過程中的接觸區域處理為持續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。

模型中采用變節點的四邊形等參單元，依據結構特征、應力集中程度確定了網格大小密度和分布方式，預設了結構尺寸參數以便于結構尺寸變化后網格自動離散。

該模型的建立為開展封隔器系統在井底真實工況下的工作行為仿真研究奠定了基礎；

4綜合運用彈塑性力學及有限元分析的理論和方法，根據封隔器的工作狀態和其零部件在工作過程中的運動、受力、變形特征及其相互作用關系，將封隔器簡化為軸對稱形式，率先在國內建立了考慮膠筒大變形特征的封隔器系統工作行為仿真模型，該模型可以模擬封隔器在坐封、密封、解封三種工況下的運動過程和力學行為，真實的反應封隔器在工作過程中包括膠筒在內各零部件的運動、受力和變形情況，為封隔器的設計和新產品的開發提供了新的理論依據；

5針對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學方法研究，采用增量載荷法實現了對仿真模型的求解。

在網格離散的基礎上，建立了增量形式的線性及非線性有限元方程；對于線性方程組，采用直接求解方式波前法求解每一迭代步內增量形式的有限元方程，對于非線性有限元方程，采用增量迭代法修正的LagrangeU.L.法進行求解，將N-R法用于每一增量步切線剛度法；對于接觸區也采用增量形式迭代求解，在瞬時構形中討論了接觸邊界的變化；仿真模型求解的實現使得本文理論研究工作具有更大的實際應用價值；

6利用混合編程思想開發了具有自主知識產權的封隔器系統工作行為仿真軟件。

軟件采用VisualFortran6.5和VisualBasic6.0開發，兩種語言優勢互補，既具有Fortran語言的運算效率高、速度快的優點，又達到了界面美觀、操作簡便的要求。

該仿真軟件的開發使本文所建立的數學模型能應用到封隔器的生產實際中，為設計人員進一步改進封隔器的結構、提高其工作性能和開發新型封隔器提供了一種新的設計和分析手段；

7自行設計并建造了封隔器工作性能試驗臺架，并完成了封隔器臺架試驗研究，由此實現了對封隔器系統工作行為仿真模型及軟件的驗證。

測試數據主要包括膠筒接觸應力大小、分布規律、軸向位移及外套、上活塞、下活塞應力、應變大小及分布規律，試驗結果與仿真結果的對比表明仿真軟件計算結果都符合工程使用要求，這進一步說明本文所建立的封隔器系統工作行為仿真模型、求解方法以及仿真軟件正確，并具有較大的實際應用價值，試驗臺架的建立也為我國封隔器新產品的開發提供了一個試驗平臺。

綜上所述，本文的研究工作為進一步提高現有封隔器及井下工具的綜合性能、改進其結構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.