張彥秋,張 建,劉翠潔,陸 輝

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司青島分公司,山東青島 266520)

鉆機滑車耳板計算分析*

張彥秋,張 建,劉翠潔,陸 輝

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司青島分公司,山東青島 266520)

從SAFI中提取力。使用Inventor對滑車耳板做三維建模,將三維模型導入有限元軟件ANSYS Workbench,并運用Shape Optimization(Bate)和Parameters兩模塊對其進行優(yōu)化設計,減少了耳板13%的質量?；诖朔椒?提出一種耳板等零件的優(yōu)化思路。

SAFI;ANSYS Workbench;拓撲優(yōu)化;參數(shù)化

0 引 言

滑車耳板是鉆機在底座起升時的主要構件。如圖1(a)所示,滑車耳板焊接在鉆機底座頂層的焊接方箱上,外形圖尺寸如圖1(b)所示。如圖1(c)為滑車耳板在鉆機的位置示意圖。

圖1 滑車耳板示意圖

滑車通過銷子連接在耳板Φ160孔上,下端的導繩輪通過銷子連接在耳板Φ110孔上。在底座起升過程中,滑車在鋼絲繩的牽引下,帶動底座慢慢起升靠近三角支架,導繩輪起到更改鋼絲繩方向的作用,兩者均受到鋼絲繩的作用力,通過滑車耳板傳遞到鉆機底座上。因此,滑車耳板主要承受拉力為重要受力件,若失效很容易造成鉆機機構破壞,甚至造成人員的傷亡。工程應用中,耳板的設計多依靠手工計算或者工程經(jīng)驗,為滿足設計要求,耳板尺寸一般趨向于取大,這會造成材料浪費。本論文使用三維建模軟件和有限元分析軟件,對零件進行拓撲優(yōu)化后進行參數(shù)化分析,依此得出更合理的結構尺寸,大大減少了材料成本。

1 鉆機底座起升的受力分析及求解

底座起升時,滑車耳板在底座起升的起始點受力最大。通常算法為手工計算,手工計算時很少考慮風載荷的作用,用計算軟件SAFI對鉆機底座起升的起始位置進行狀態(tài)模擬,SAFI軟件是美國石油學會認證的結構計算軟件。分別討論添加風載荷和不添加風載荷兩種情況,然后進行比較分析風載荷的作用,圖2為添加風載荷模型。用梁單元對井架和底座進行建模,用加載集中力的方法替代鉆臺面上絞車、轉盤等部件和井架上的附件,使用集中力代替鋼絲繩的方法,力的大小設置為單位力100 kN,方向按實際鋼絲繩走向,加載位置為井架天車軸、底座起升滑輪軸,用調整單位載荷系數(shù)的方法模擬起升大繩的臨界力。并根據(jù)API 4F[1]的要求,對整個模型加載16 m/s的八個方向的風載,風加載計算公式為:

因此,形成八組起升工況。全約束底座底層,在頂層設施一弱彈簧,彈簧系數(shù)設置為1。根據(jù)API 4F的要求,觀察各結構件的UC值大小,同時觀察弱彈簧的受力作為求解結果。計算完成后,提取耳板在各工況下的受力,取最大值作為耳板優(yōu)化的載荷。比較添加風載荷與不添加風載荷兩種情況,分析得添加風載荷使起升力增加,相比增加了1.34%,增加幅度相對較小。但是,風載荷作用下使天車的偏移量增加了17.6%,因此可見,風載荷對起升力的影響較小,對結構的變形影響較大。筆者采用SAFI軟件添加風載的情況下提出起升力對耳板的設計更加精確,圖3為提出1 477節(jié)點和1 512節(jié)點的力,即滑車耳板Φ160和Φ110兩個銷孔處的力。筆者采用無摩擦接觸的方法(或有摩擦,摩擦力較小可以忽略)分析滑車耳板,此種方法為接觸分析,耳板和銷子在同一模型中計算,既考慮了力的傳遞又考慮了外形尺寸之間的相互作用,計算應力分布接近工程實際。

圖2 鉆機三維示意圖及風載荷示意圖

圖3 從SAFI中提取節(jié)點力

2 耳板拓撲優(yōu)化前的預處理

用三維軟件Inventor建滑車耳板的三維模型,由于一些細小特征對結構整體性能的影響較小,建模時根據(jù)圣維南原理,對倒角、倒圓進行了簡化忽略。筆者運用Shape Optimization(Bate)對滑車耳板進行拓撲優(yōu)化,根據(jù)優(yōu)化需要,放大耳板的整體尺寸,如圖4所示。如上所述,滑車耳板上設有滿足設計需要所必須的孔,滑車耳板上部規(guī)定位置有Φ160的孔是滑車銷孔;滑車耳板下部有Φ110的孔是定滑輪銷孔,為滑車耳板受載部位;下部還設有Φ130為方便相鄰構件穿銷子用的穿銷孔;滑車耳板左側焊接到底座上。

圖4 滑車耳板放大尺寸圖

3 耳板的拓撲求解

現(xiàn)有ANSYS Workbench14.0能很好的與三維軟件Inventor兼容。在 Inventor中建模完成后,通過ANSYS Workbench在Inventor中的快捷鍵,直接進入ANSYS Workbench用戶界面。采用實體單元,數(shù)據(jù)在傳遞的過程中比較完整,導入ANSYS Workbench后不需再做調整,直接調用Shape Optimization(Bate),共享模型即可開展后續(xù)分析。

按照設計要求,設置材料的彈性模量為2.06× 105MPa,泊松比為0.3,密度7.86×10-6kg/mm3。在“Mesh”中以“Generate Mesh”的形式劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格大小設置為20 mm,模型比較規(guī)則,不需要進行特殊設置就能生出很好的單元。

圖5 拓撲優(yōu)化圖

運用全約束把滑車耳板的五個焊接面固定。文中運用無摩擦接觸的方法,把從SAFI中提取的1 477、1 512兩節(jié)點的力以集中力添加在滑車耳板 Φ160和Φ110孔中的銷子上,使銷子與耳板接觸作用。計算結果如圖5。

4 參數(shù)優(yōu)化[2]

根據(jù)拓撲優(yōu)化的外形尺寸結果,在Inventor中對模型進行重新建模,模型圖如圖6所示,模型尺寸中, R240和Φ160銷孔為同心圓,設置為優(yōu)化參數(shù),R165和Φ110銷孔為同心圓,設置為優(yōu)化參數(shù),兩半圓之間為過渡圓,過渡圓圓心距耳板左邊緣700 mm設置為優(yōu)化參數(shù)。建模后,施加如拓撲優(yōu)化相同的材料、網(wǎng)格、載荷與約束。把質量和應力設置為因變量。R240優(yōu)化區(qū)間為 R200～R260;R165優(yōu)化區(qū)間為R110～R200;700 mm的優(yōu)化區(qū)間為600～800 mm。為計算方便,采用添加軸承力計算耳板的方法,計算結果偏大,但優(yōu)化尺寸不受影響,計算完成后,參數(shù)優(yōu)化結果如圖7。結果,取最優(yōu)方案,三個參數(shù)變量分別為R254.39、R118.41、618.7 mm。在Inventor中重新建模,圓整三個參數(shù),分別取R255、R120、620 mm。

圖6 滑車耳板尺寸規(guī)整圖

圖7 參數(shù)優(yōu)化結果

圖8 應力云圖

把模型導入 ANSYS Workbench中運用 Static Structural模塊,條件如上所述,計算結果如圖8所示。由API SPEC 7K[3]規(guī)定,接觸部位的最大許用應力可以按下式設計:

式中:SULTmin為最低規(guī)定極限拉伸強度;FDS為設計安全因素。

綜合考慮,計算結果符合API 4F規(guī)定的接觸部位塑性設計要求。

5 結 語

過程優(yōu)化后,鉆機滑車耳板在滿足設計要求的前提下,其質量減少了13%,成果比較顯著。通過SAFI軟件,對鉆機在起升時風載的影響進行了討論,添加風載荷起升力增加了1.34%,同時,添加風載荷使天車的偏移量增加了17.6%,因此可見,風載荷對起升力的影響較小,對結構的變形影響較大。

從分析結果可看出:使用 Inventor進行三維建模,將三維模型導入有限元軟件ANSYS Workbench,從 SAFI軟件提取力,并運用 Shape Optimization (Bate)和Parameters進行優(yōu)化,是一種行之有效的優(yōu)化設計方法。為軟件SAFI不能運用實體求解提供了一種結構件細部優(yōu)化的有效方法。

[1] API Spec 4F-2013第4版鉆井和修井結構規(guī)范[S].

[2] 黃志新,劉成柱.ANSYS Workbench14.0超級學習手冊[M].北京:人民郵電出本社,2013.

[3] API SPEC 7K鉆井和修井設備規(guī)范[S] .

Calculation and Analysis on the Pulley Otic Placode of Drilling Rig

ZHANG Yan-qiu,ZHANG Jian,LIU Cui-jie,LU Hui
(QingDao Branch of Lanzhou Lanshi Energy Equipment Engineering Institute Co.,Ltd,Qingdao Shandong 266520,China)

The 3D model of the pulley otic placode is established in the Inventor,and then it is transferred into the ANSYS Workbench by using the interlinkage.Force is extracted from the SAFI software.Then,the model is optimized in the ANSYS Shape Optimization(Bate)module and the Parameters module.Comparing with the original design,the mass of the optimized structure is reduced 13%.Based on this method,an optimization process of parts such as otic placode is brought up.

SAFI;ANSYS Workbench;topological optimization;parameterization

TE922

A

1007-4414(2015)05-0119-03

10.16576/j.cnki.1007-4414.2015.05.041

2015-08-11

張彥秋(1988-),男,山東臨沂人,助理工程師,主要從事石油裝備產(chǎn)品設計方面的工作。