某型号扶正器连接螺纹的结构重构设计

2015-07-07郭银赛程明科

制造业自动化 2015年2期

关键词：等值线图扶正螺纹

郭银赛，张毅，程明科

( 西京学院研究生部，西安 710123)

0 引言

扶正器（如图1所示），作为一种重要的固井工具，安装在石油取芯钻具的外筒上,其可提高外筒和钻头工作的稳定性，并有利于工作时防斜对中。扶正器的主要作用是传递和承受钻压，并带动钻头旋转，保护内岩心筒。

图1 扶正器实物图

由于石油取芯钻具工作条件十分恶劣,受力情况非常复杂，扶正器外管损坏相当严重，并且大部分外管的失效部位都是在接头螺纹上[1,2]，如何来选择合理的扶正器的螺纹结构几何参数, 进而来提高螺纹连接的刚度及强度, 具有重要的研究意义和应用价值。

因此，本文针对某型号扶正器特殊梯形螺纹接头的力学性能进行了仿真、分析和研究。

1 螺纹接头的有限元分析

1.1 有限元模型建立

扶正器螺纹接头的螺旋升角对载荷沿螺纹牙分布的影响很小，可忽略不计，因此可将其作为轴对称结构进行处理[3]。模型可简化为二维模型进行仿真分析。

该扶正器的螺纹结构是一种特殊的非标准梯形螺纹。依据螺纹结构CAD图纸，准确计算出模型中每个关键点的坐标值，编写相应的APDL语言，进而建立连接螺纹的二维几何模型，如图2所示。

图2 连接螺纹的二维几何模型

扶正器材料为45CrNiMoVA，系各项同性弹塑性材料，弹性模量为2.14×105MPa，泊松比为0.29，材料的屈服极限为1330MPa，材料摩擦系数为0.1。选择单元类型为8节点平面轴对称单元PLANE82，CONTA171（单元类型参考号）[4]。对模型进行智能网格划分，单元边长为1mm。节点数为5944，单元数为1778。如图3所示为连接螺纹的有限元模型。

图3 连接螺纹的有限元模型

1.2 载荷加载及边界条件的设定

已知螺纹接头受到10kNM的工作扭矩和70kN的轴向外载荷压力，通过计算分析，将上述两种载荷转化为可加载到有限元模型上的均布载荷[5]。螺纹接头的力学计算模型如图4所示。

图4 力学计算模型

在ANSYS软件中左端施加位移固定约束，右端施加经计算得到的均布载荷。接触对的设置：台肩2对接触对，螺纹的接触面15对接触对，一共17对接触对[6]。如图5为有限元模型的载荷施加示意图。

图5 载荷施加示意图

1.3 有限元结果分析

利用ANSYS对连接螺纹结构进行非线性接触有限元分析，螺纹接头的合位移以及Von Mises应力等值线图分别如图6和图7所示。

图6 合位移等值线图

图7 Von Mises应力等值线图

由图6可知最大合位移出现在母螺纹接头的最右端（右端台肩区域处），数值为1.303mm，从整体变形情况可以看出公螺纹接头所受到的变形量要稍大于母螺纹接头所受的变形量；由图7可知，最大等效应力是1052MPa，出现在左台肩标有MX的区域处，这主要是应力集中造成的。从整体螺纹接头受力情况可以看出与其他部位相比，螺纹牙根部的等效应力较大，且右端第一个螺纹牙处更容易发生断裂等失效现象[7]。

从图6和图7可以看出在已知载荷受力情况下螺纹接头所受的变形量和应力相对而言都比较大，其力学性能（密封与承载性能）较差。在恶劣的工作条件下，其螺纹接头失效的可能性较大。从侧面说明了原螺纹结构设计存在缺陷，有必要对原螺纹基础结构参数进行优化，遴选出对其力学性能影响较大的一些参数，对相关参数值进行优选，在此基础上，将螺纹结构进行重构设计。