钻机滑车耳板计算分析*

张彦秋,张 建,刘翠洁,陆 辉

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司青岛分公司,山东青岛 266520)

钻机滑车耳板计算分析*

张彦秋,张 建,刘翠洁,陆 辉

(兰州兰石能源装备工程研究院有限公司青岛分公司,山东青岛 266520)

从SAFI中提取力。使用Inventor对滑车耳板做三维建模,将三维模型导入有限元软件ANSYS Workbench,并运用Shape Optimization(Bate)和Parameters两模块对其进行优化设计,减少了耳板13%的质量。基于此方法,提出一种耳板等零件的优化思路。

SAFI;ANSYS Workbench;拓扑优化;参数化

0 引 言

滑车耳板是钻机在底座起升时的主要构件。如图1(a)所示,滑车耳板焊接在钻机底座顶层的焊接方箱上,外形图尺寸如图1(b)所示。如图1(c)为滑车耳板在钻机的位置示意图。

图1 滑车耳板示意图

滑车通过销子连接在耳板Φ160孔上,下端的导绳轮通过销子连接在耳板Φ110孔上。在底座起升过程中,滑车在钢丝绳的牵引下,带动底座慢慢起升靠近三角支架,导绳轮起到更改钢丝绳方向的作用,两者均受到钢丝绳的作用力,通过滑车耳板传递到钻机底座上。因此,滑车耳板主要承受拉力为重要受力件,若失效很容易造成钻机机构破坏,甚至造成人员的伤亡。工程应用中,耳板的设计多依靠手工计算或者工程经验,为满足设计要求,耳板尺寸一般趋向于取大,这会造成材料浪费。本论文使用三维建模软件和有限元分析软件,对零件进行拓扑优化后进行参数化分析,依此得出更合理的结构尺寸,大大减少了材料成本。

1 钻机底座起升的受力分析及求解

底座起升时,滑车耳板在底座起升的起始点受力最大。通常算法为手工计算,手工计算时很少考虑风载荷的作用,用计算软件SAFI对钻机底座起升的起始位置进行状态模拟,SAFI软件是美国石油学会认证的结构计算软件。分别讨论添加风载荷和不添加风载荷两种情况,然后进行比较分析风载荷的作用,图2为添加风载荷模型。用梁单元对井架和底座进行建模,用加载集中力的方法替代钻台面上绞车、转盘等部件和井架上的附件,使用集中力代替钢丝绳的方法,力的大小设置为单位力100 kN,方向按实际钢丝绳走向,加载位置为井架天车轴、底座起升滑轮轴,用调整单位载荷系数的方法模拟起升大绳的临界力。并根据API 4F[1]的要求,对整个模型加载16 m/s的八个方向的风载,风加载计算公式为:

因此,形成八组起升工况。全约束底座底层,在顶层设施一弱弹簧,弹簧系数设置为1。根据API 4F的要求,观察各结构件的UC值大小,同时观察弱弹簧的受力作为求解结果。计算完成后,提取耳板在各工况下的受力,取最大值作为耳板优化的载荷。比较添加风载荷与不添加风载荷两种情况,分析得添加风载荷使起升力增加,相比增加了1.34%,增加幅度相对较小。但是,风载荷作用下使天车的偏移量增加了17.6%,因此可见,风载荷对起升力的影响较小,对结构的变形影响较大。笔者采用SAFI软件添加风载的情况下提出起升力对耳板的设计更加精确,图3为提出1 477节点和1 512节点的力,即滑车耳板Φ160和Φ110两个销孔处的力。笔者采用无摩擦接触的方法(或有摩擦,摩擦力较小可以忽略)分析滑车耳板,此种方法为接触分析,耳板和销子在同一模型中计算,既考虑了力的传递又考虑了外形尺寸之间的相互作用,计算应力分布接近工程实际。

图2 钻机三维示意图及风载荷示意图

图3 从SAFI中提取节点力

2 耳板拓扑优化前的预处理

用三维软件Inventor建滑车耳板的三维模型,由于一些细小特征对结构整体性能的影响较小,建模时根据圣维南原理,对倒角、倒圆进行了简化忽略。笔者运用Shape Optimization(Bate)对滑车耳板进行拓扑优化,根据优化需要,放大耳板的整体尺寸,如图4所示。如上所述,滑车耳板上设有满足设计需要所必须的孔,滑车耳板上部规定位置有Φ160的孔是滑车销孔;滑车耳板下部有Φ110的孔是定滑轮销孔,为滑车耳板受载部位;下部还设有Φ130为方便相邻构件穿销子用的穿销孔;滑车耳板左侧焊接到底座上。

图4 滑车耳板放大尺寸图

3 耳板的拓扑求解

现有ANSYS Workbench14.0能很好的与三维软件Inventor兼容。在 Inventor中建模完成后,通过ANSYS Workbench在Inventor中的快捷键,直接进入ANSYS Workbench用户界面。采用实体单元,数据在传递的过程中比较完整,导入ANSYS Workbench后不需再做调整,直接调用Shape Optimization(Bate),共享模型即可开展后续分析。

按照设计要求,设置材料的弹性模量为2.06× 105MPa,泊松比为0.3,密度7.86×10-6kg/mm3。在“Mesh”中以“Generate Mesh”的形式划分网格,网格大小设置为20 mm,模型比较规则,不需要进行特殊设置就能生出很好的单元。

图5 拓扑优化图

运用全约束把滑车耳板的五个焊接面固定。文中运用无摩擦接触的方法,把从SAFI中提取的1 477、1 512两节点的力以集中力添加在滑车耳板 Φ160和Φ110孔中的销子上,使销子与耳板接触作用。计算结果如图5。

4 参数优化[2]

根据拓扑优化的外形尺寸结果,在Inventor中对模型进行重新建模,模型图如图6所示,模型尺寸中, R240和Φ160销孔为同心圆,设置为优化参数,R165和Φ110销孔为同心圆,设置为优化参数,两半圆之间为过渡圆,过渡圆圆心距耳板左边缘700 mm设置为优化参数。建模后,施加如拓扑优化相同的材料、网格、载荷与约束。把质量和应力设置为因变量。R240优化区间为 R200～R260;R165优化区间为R110～R200;700 mm的优化区间为600～800 mm。为计算方便,采用添加轴承力计算耳板的方法,计算结果偏大,但优化尺寸不受影响,计算完成后,参数优化结果如图7。结果,取最优方案,三个参数变量分别为R254.39、R118.41、618.7 mm。在Inventor中重新建模,圆整三个参数,分别取R255、R120、620 mm。

图6 滑车耳板尺寸规整图

图7 参数优化结果

图8 应力云图

把模型导入 ANSYS Workbench中运用 Static Structural模块,条件如上所述,计算结果如图8所示。由API SPEC 7K[3]规定,接触部位的最大许用应力可以按下式设计:

式中:SULTmin为最低规定极限拉伸强度;FDS为设计安全因素。

综合考虑,计算结果符合API 4F规定的接触部位塑性设计要求。

5 结 语

过程优化后,钻机滑车耳板在满足设计要求的前提下,其质量减少了13%,成果比较显著。通过SAFI软件,对钻机在起升时风载的影响进行了讨论,添加风载荷起升力增加了1.34%,同时,添加风载荷使天车的偏移量增加了17.6%,因此可见,风载荷对起升力的影响较小,对结构的变形影响较大。

从分析结果可看出:使用 Inventor进行三维建模,将三维模型导入有限元软件ANSYS Workbench,从 SAFI软件提取力,并运用 Shape Optimization (Bate)和Parameters进行优化,是一种行之有效的优化设计方法。为软件SAFI不能运用实体求解提供了一种结构件细部优化的有效方法。

[1] API Spec 4F-2013第4版钻井和修井结构规范[S].

[2] 黄志新,刘成柱.ANSYS Workbench14.0超级学习手册[M].北京:人民邮电出本社,2013.

[3] API SPEC 7K钻井和修井设备规范[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

张彦秋(1988-),男,山东临沂人,助理工程师,主要从事石油装备产品设计方面的工作。