基于ANSYS中APDL语言对测井仪器承压外壳的有限元分析

秦才会 侯洪为

(海洋中院中海油服油技研究院 北京)

基于ANSYS中APDL语言对测井仪器承压外壳的有限元分析

秦才会 侯洪为

(海洋中院中海油服油技研究院 北京)

对于常规的力学分析者来说,等效转化进行理论计算测井仪器外壳受力情况,这种方式往往分析太过粗略,不能确准知道某一位置受力情况。基于ANSYS中APDL语言的有限元分析,由于可以从节点开始建模,因此：节点、单元可控。即任意处节点编号、单元编号、节点应力,节点应变等均可方便提取,使有限元分析者对整个模型任意位置的应力、应变等信息均可清楚了解。文章以测井仪器承压外壳为例说明基于ANSYS中APDL语言对测井仪器承压外壳的有限元分析的优点。

测井仪器;承压外壳;应力;形变;有限元分析

0 引 言

石油测井仪器在井下工作时,由于受井中温度、压力的影响,在设计承压外壳时往往要求仪器外壳承压140 MPa,耐温150℃。在高温、高压的恶劣环境中,为保护好测井仪器,要求测井仪器承压外壳有足够的强度。因此需对测井仪器承压外壳进行力学分析。

1 理论计算应力分析

测井仪器承压外壳设计人员在进行外壳设计,往往要从基础公式进行推导出承压外壳应力计算公式。根据弹性失效准则的第三理论推导出承压外壳简化计算公式如下：

式(1)中,p2为仪器承受的外压力;K为仪器内径与外径比。式中只能大致的计算钢筒的最大应力,实际上钢筒所承受的应力在轴向上是变化的,应力、应变如何分布、最大变形分布等都无法得知。要想获知他们的真实应力分布情形还得借助有限元分析软件进行计算。

2 基于ANSYS中APDL语言从节点建模的有限元分析

APDL语言作为ANSYS的参数化设计语言,在设计时只须改变APDL宏文件几个参数,就可生成新的模型,并进行求解。这就大大提高工作效率,并且在建模设计时,可以从节点开始,生成单元,建立有限元网格,这样建立的有限元模型结点、单元完全可控。进行有限元分析完成后,就可以准确知道待分析零部件任何位置应力、应变情况。以测井仪器承压外壳为例说明建立有限元模型并进行有限元分析的过程,图1为测井仪器承压外壳的结构示意图。

图1 测井仪器承压外壳结构示意图

为了和理论计算进行对比,简化承压外壳模型,以L=2 m,内径 d=0.076 2 m,外径 D=0.092 m为例建立仪器有限元模型。下面简要说明用APDL语言从节点开始建立测井仪器承压外壳的有限元模型及分析步骤。

1)定义模型物理参数等：

图2 测井仪器承压外壳有限元模型

从图2中,可以看出有限元网格划分非常规则、整齐。在建立有限元模型前,需要将每个节点编号排好,然后再给单元分配好编号。这样就可以知道任何位置的节点编号、单元编号,为以后提取某处节点、单元应力作准备。

图3 测井仪器承压外壳应力、应变云图

从图3中,可以看出测井仪器承压外壳最大应力为969 MPa,最大变形为0.000 321。依第三强度理论计算公式(1),计算得承压外壳最大应力892 MPa,公式与有限元分析软件计算的最大应力偏差为8%,有限元分析结果有效。

图4是承压外壳一端应力云图,图5是承压外壳中间位置应力云图。

由于外壳是轴对称的,因此可以选取某一位置从里到外的几个单元分析受力情形。从图4、图5中可以看出,承压外壳内表面应力最大,从内表面向外应力在逐渐减小。最大应力不是发生在中间单元,而是在两端单元上。

图4 承压外壳一端应力云图

图5 承压外壳中间位置应力云图

选取承压外壳轴向单元,绘外壳轴向所选单元应力云图。

图6是承压外壳过轴截面应力云图。

图6 承压外壳过轴截面应力云图

从图6中可以看出,测井仪器承压外壳最大压力发生在外壳约束和非约束的过渡区域,即最大压力为局部应力,理论计算的应力为一定壁厚材料所能承受的最大应力。通过有限元分析,我们可以对测井仪器承压外壳局部结构优化,改善其受力情形提供有力的参考,同时,我们还可以将外壳内径、长度等数值赋予参数,进行参数化设计。如：＊set,L,2＊set,d,0.0762＊set,D,0.092等。

3 结束语

本文基于ANSYS中APDL语言对测井仪承压外壳从节点开始建立有限元模型进行有限元分析。其结果与理论计算结果相符度较高,并且可以知道任意位置的受力情况,对测井仪器承压外壳的受力情形了解非常清楚,可以为以后的外壳优化提供有力的依据。另外还可以参数化建立有限元模型进行有限元分析,这样只需改变几个参数,就能对不同规格的模型进行有限元分析。

[1] 祝 磊,马 赢.ANSYS 7.0入门与提高[M].北京：清华大学出版社,2004

[2] 常平平.测井仪耐压钢筒的应力分析与强度校核[J].机械工程师,2010,28(5)

[3] 李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京：清华大学出版社,2005

[4] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社,1991

TE91

B

1004-9134(2011)06-0072-03

秦才会,男,1980年生,工程师,2006年毕业于中国石油大学(北京)机械设计及理论专业,获硕士学位,现在中海油服油技研究院从事石油测井仪器的研发工作。邮编：065201

2011-08-09

高红霞)

·经验交流·