基于Inventor的钻杆夹持器虚拟设计及受力分析

刘文杰,段春梅,王 冰

(连云港黄海机械股份有限公司,江苏连云港222062)

1 前言

水平定向钻机作为一个新的行业,正在被广泛用于石油,水电以及各种管道铺设行业。由于在户外作业,工作环境非常恶劣。夹持器是水平定向钻机工作的一个重要部分,主要是承担钻杆上扣和卸扣功能,大型水平定向钻机钻杆拆卸扣扭矩能达到十几万牛米,因此夹持器的的设计强度将直接影响钻机的工作可靠性能。本文研究的某型号钻机夹持器整体建模、虚拟装配及有限元分析。

2 虚拟设计流程

应用inventor进行虚拟设计,首先要明确设计任务,构思出产品的大致轮廓;接着设计方案,细化要求和零部件的具体尺寸,然后对零件进行建模,组装各零部件,形成装配体并检验;进而对整个部件进行有限元分析。

3 设计步骤

3.1 夹持器结构

该夹持器(图1)是由1.加长座 2.嵌牙座 3.嵌牙4.夹持体座5.液压油缸等零部件组成。其工作过程为:液压系统供油,使左右液压油缸伸出带动夹持块夹紧钻杆。

3.2 实体建模及装配

图1 夹持器结构图

实体建模过程就是选择特征类型、定义特征属性、安排特征建立次序,最后生成零件的过程。在inventor中建模时,先要分析实体的结构特征,然后确定特征建立的先后顺序以及每个特征建立的方法,建立实体的过程要力求简洁,参数尺寸尽可能少。同时要注意实体建模完成后尽量不要重新编辑特征,以免引起其他特征的变化。特征建模可以从草图中直接画出,也可以直接将CAD中的文件导入草图,然后利用inventor中的特征命令进行编辑最后完成零件的编辑工作。同时inventor中还提供插件,可以对零件进行快速编辑,从而提高建模的速度。

各零部件设计好后,新建一个装配模块,以夹持体座为固定件,再依次导入其它已建好的零部件,对于尺寸无法确定的,可利用零件间的装配关系组成新的零件。零件导入后,要使零件的位置准确无误,并应建立相应的约束关系,在inventor中提供了配合,角度,相切,插入四种约束关系,并且各个配合关系共分了9个小类,可以根据需要灵活应用。装配结束后必须进行干涉检查和物理接触检查,查看各零部件间是否有干涉或重叠现象,如有问题及时对模型修改。

图2 夹持器装配模型图

3.3 有限元分析

将装配好的模型导入环境中选择应力分析模块,根据下述进行分析前的各个步骤:

(1)选择材质:夹持体材质为Q235

(2)施加约束:夹持器底板为固定约束

(3)施加载荷 :夹持器主要是依靠液压油缸的伸出通过嵌牙夹住钻杆,此夹持器采用φ250mm缸径,压力20M Pa由公式 F=A·P(A表示面积,P表示压力,)因此可计算出 F=981250N,将力 F施加于夹持上(图3)。

图3 约束载荷施加图

(4)划分网格

(5)计算求解

本结果是由应变(Strian)云图和应力(Stress)云图,共同求解而得出的结果。图4结果显示最大的等效应力出现在中间其值为Smax=50M Pa。

图4 等效应力云图

4 结论

通过从建模到装配再到有限元分析,我们可以精准的了解各零部件在装配时的干涉、装配和受力问题,尤其对于受力较大的零部件,为延长其使用寿命,对于危险部位进行必要的工艺处理。通过对实例的分析,验证了有限元方法的准确性,为夹持器结构设计提供了可靠的依据和分析方法。

[1] 成大先.机械设计手册(第五版 第2卷)[M].北京:化学工业出版社,2008.

[2] 刘鸿文.材料力学(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2004.