水下多功能快速接头弹性夹头的有限元分析

王 伟，张艳春，肖易萍，肖德明

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

水下多功能快速接头弹性夹头的有限元分析

王 伟，张艳春，肖易萍，肖德明

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

弹性夹头是水下多功能快速接头的重要零件，其关系到水下油气生产系统的可靠性。采用ANSYS W orkbench有限元分析软件计算得出弹性夹头在被推入和脱离芯轴过程中的应力、位移、反作用力状态，证明了弹性夹头的最大应力小于材料的屈服强度，并分析得出连接和断开水下多功能快速接头时需要提供的推力和拉力，为ROV的选型提供了依据。

水下油气生产系统；快速接头；弹性夹头；有限元

水下多功能快速接头是一种用来连接水下液压管路的装置，可以同时连接或断开多条液压管路，多用于海洋石油工程的水下油气生产系统中，将其连接和断开的操作由ROV（远程操作机器人）完成。弹性夹头是水下多功能快速接头的重要零件，在连接和断开的过程中弹性夹头的受力情况较为复杂，分析其应力和变形状态可以从理论上验证其结构强度的可靠性。分析连接和断开过程中需要ROV提供的推力和拉力，可以为ROV的选型提供必要的依据。然而，弹性夹头的形状相对复杂，使用传统的力学计算方法很难得到精确解。

有限元法是随着现代力学、计算数学和计算机技术的发展而发展起来的一种新颖而有效的数值计算方法，由于有限元法具有坚实的理论基础和处理复杂工程问题的能力，且计算精度相对较高，所以在工程中得到广泛的应用［1-2］。使用有限元法对水下多功能快速接头的弹性夹头进行分析是非常必要的。

1 水下多功能快速接头结构介绍

水下多功能快速接头分为固定端和移动端2个部分，移动端和固定端之间采用弹性夹头和芯轴连接，弹性夹头安装在移动端，芯轴安装在固定端，如图1～2所示。

弹性夹头上设有8个弹性卡爪，如图3所示。在将水下多功能快速接头的移动端和固定端连接和断开的过程中，需要ROV提供一个推力或拉力，使弹性夹头产生弹性变形，进而使弹性夹头推入或脱离芯轴，以达到连接和断开水下多功能快速接头的目的。

图1 水下多功能快速接头

图2 连接形式示意

图3 弹性夹头

2 分析方法的研究

2．1 有限元分析软件的选择

ANSYS软件是融结构、热、流体等于一体的大型通用有限元商用分析软件，自20世纪70年代诞生以来，随着计算机和有限元理论的发展，在各个领域得到广泛的应用［3-4］。ANSYS公司推出了ANSYS经典版和ANSYSWorkbench版，ANSYS W orkbench在模型的处理、网格划分、后处理功能等方面相比ANSYS经典版有较大的优势。本文采用ANSYS W orkbench进行有限元分析。

2．2 模型的建立及处理

1） 三维模型的建立。

在进行有限元分析之前，首先应建立零件的三维模型。ANSYS W orkbench的Geometry模块的建模功能相比ANSYS经典版已经有了显著的提高，但是其只适合用于建立相对简单的模型，处理复杂模型时其建模功能难以胜任。SOLIDWORK S软件拥有强大的参数化设计能力，可以进行复杂实体造型［5］。因此本文选用SOLIDWORK S软件建立弹性夹头和芯轴的三维模型。

2） 三维模型的处理。

模型中一般包括一些对零件受力状态影响微小的结构，如非重要的倒角、圆孔等，删除这些结构可以减少节点数量，并提高网格质量［6-8］。

在三维有限元计算机模拟计算中，单元和节点的数量制约着求解的速度和精度，循环对称方法能使有限元模型的单元和节点数目大幅下降，节约计算机内存占用量，缩短计算所需时间［9-10］。弹性夹头上设有8个弹性卡爪，属于圆周阵列结构，可以使用ANSYS W orkbench的循环对称功能进行分析，因此只需使用1／8的模型即可。将完整的弹性夹头和芯轴模型切割成原来的1／8，如图4所示。

图4 完整模型的1／8

2．3 设置材料属性

预防措施：如在地质较软处施工时应当先在表面铺设一定厚度的碎石，碾压密实后在钻机底部垫入方木，增大钻机与地面的接触面积，以减少压强避免位移现象。在地质极为恶劣的地区，应当采取换填的方式来增加土层的稳定性。并且在冲孔施工时注意观察钢丝绳的走向，如垂直方向有较大偏差时应采取一定的措施，直至走向垂直。

弹性夹头和芯轴的材料均为是一种马氏体不锈钢，韧性较强、耐腐蚀。材料的参数如表1所示。

2．4 设置载荷步

表1 材料参数

本文的分析过程分为2个步骤。

1） 分析将弹性夹头推入芯轴的过程，即连接工况。

2） 分析将弹性夹头脱离芯轴的过程，即断开工况。

为了得到精确的分析结果，将推入过程和脱离过程分别分为60个载荷步，在A nalysis settings对话框内将载荷步设置为60。

2．5 设置几何非线性状态

在线弹性力学分析中，假定位移与应变关系是线性的，且应变为小量，由此得到线性几何方程［11］。然而弹性夹头的卡爪有可能产生大变形，应考虑材料形状发生改变而使刚度也发生变化，属于几何非线性问题。为了得到精确的分析结果，在A nalysis settings对话框内将大变形选项设置为on。

2．6 设置边界条件

1） 设置循环对称。

设置循环对称首先要建立柱坐标系，如图5所示，在1／8模型表面设置循环对称区域。

图5 对称设置

2） 接触对设置。

在推入和脱离的过程中，弹性夹头和芯轴会产生接触，由此而涉及到有限元中的接触问题。接触问题是一种高度非线性行为，为了得到准确的计算结果，设置合理的接触参数非常重要［12-15］。本文中所分析的这种接触问题属于柔体与柔体的面与面的接触，应使用目标面和接触面来形成接触对。如图6所示，将弹性夹头的面设置为接触面，将芯轴的面设置为目标面，接触形式设置为摩擦形式，摩擦因数为0．15。

图6 接触设置

3） 约束设置。

为了便于观察弹性夹头的变形情况，假设弹性夹头固定不动，芯轴沿轴向与弹性夹头做相对运动。如图7所示，将面A设置为Fixed support型约束，该面的6个自由度全部被约束。将面B设置为Displacement型约束，该面延x轴方向移动自由度被放开，其余自由度被约束。

将面C设置为Displacement型约束，除延x轴方向移动的自由度被约束外，其余自由度被约束。分析弹性夹头推入芯轴的过程时，将面C延x轴方向的移动分为60个载荷步，每一步移动1mm，整个过程面C延x轴正方向移动60mm，初始位置为图7所示，终止位置为图2所示。分析将弹性夹头脱离芯轴的过程时，同样将面C延x轴方向的移动分为60个载荷步，每一步移动1mm，整个过程面C 延x轴负方向移动60mm，初始位置为图2所示，终止位置为图7所示。2．7 网格划分

图7 约束设置

使用ANSYSWorkbench的model模块中的sizing功能，将弹性夹头和芯轴的网格尺寸设置为2mm。将弹性夹头的网格划分方式设置为sweep，使其生成6面体网格。生成的网格如图8所示，生成的节点数和单元数分别为210 376个和118 829个。

图8 网格

3 结果数据的分析

经过迭代后结果收敛，得出弹性夹头推入和脱离芯轴过程的应力、变形、反作用力的计算结果。

3．1 推入过程的计算结果分析

图9为推入过程中弹性夹头最大应力的变化曲线，当位移量为54mm时弹性夹头出现最大应力值142．46mPa，此时的应力云图如图10所示。弹性夹头选用材料的屈服强度为1 080mPa，最大应力值远小于材料的屈服强度。

图9 推入过程中最大应力的变化曲线

图10 应力云图

图11为推入过程中弹性夹头最大变形的变化曲线，当位移量为54mm时弹性夹头出现最大变形量1．971 9mm，此时的变形云图如图12所示。

图11 推入过程中变形的变化曲线

图12 变形云图

图13为推入过程中弹性夹头面A的反作用力的变化曲线，该反作用力值与需要ROV提供的力相等，其中负值为推力，正值为拉力。当位移量为15mm时弹性夹头面A出现最大反作用力值472．7 N。因此，在推入过程中ROV至少要提供472．7 N的推力。

图13 推入过程中反作用力的变化曲线

3．2 脱离过程的计算结果分析

图14为脱离过程中弹性夹头最大应力变化曲线，当位移量为5mm时弹性夹头出现最大应力值141．15mPa，此时的应力云图如图15所示，最大应力值远小于材料的屈服强度。

图14 脱离过程应力的变化曲线

图15 应力云图

图16为脱离过程中弹性夹头最大变形的变化曲线，当位移量为5mm时弹性夹头出现最大变形量1．974mm，此时的变形云图如图17所示。

图16 脱离过程中变形的变化曲线

图17 变形云图

图18为脱离过程中弹性夹头面A的反作用力的变化曲线，该反作用力值与需要ROV提供的力值相等，其中负值为推力，正值为拉力。当位移量为2mm时，弹性夹头面A出现最大反作用力值575．12 N。因此，脱离过程中需要ROV至少要提供575．12 N的拉力。

图18 脱离过程中反作用力的变化曲线

4 结论

1） 本文研究了水下多功能快速接头弹性夹头的有限元分析方法，具体分析了将弹性夹头推入和脱离芯轴的2个过程，并详细介绍了分析过程中建立模型、设置边界条件、设置载荷步、划分网格等方法。

2） 根据有限元分析结果，得到弹性夹头在被推入和脱离芯轴过程中的应力、变形、反作用力的状态。分析结果证明弹性夹头在被推入和脱离芯轴过程中的最大应力值远小于材料的屈服强度，不会发生塑性变形，其结构强度可靠。分析得出在连接和断开水下多功能快速接头时需要ROV提供的推力和拉力值。

3） 本文所研究的水下多功能快速接头弹性夹头的有限元分析方法，今后可以应用于弹性夹头的优化设计中，其分析出需要ROV提供的推力和拉力值，可以为ROV选型提供必要的依据。

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Finite Element Analysis for Collet of Subseamulti-Function Quick Connector

WANGW ei，ZHANG Yanchun，XIAO Yiping，XIAO Deming
（O ffshore Oil Engineering Co．，Ltd．，Tianjin300452，China）

T he collet is an im portant part in subseamulti-function quick connector，w hich influences the reliability of subsea oil and gas production system．ANSYS W orkbench was used to analyze the stress，deformation and reaction force of the collet in the process of pushing into and out of the core shaft．The results show that themaxim umstress of the colletis less than thematerial yield strength，and also show the values of pushing and pulling forces in the process of connecting and disconnecting，the necessary basis for ROV selection can be provided．

subsea oil and gas production system；quick connector；collet；finite element

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．013

2014-11-26

中国海洋石油总公司科技项目（CNOOC-KJ 125 ZD Xm05GC00GC 2012-01）

王 伟（1983-），男，天津人，工程师，硕士，主要从事海洋石油装备的机械设计、制造及其仿真研究，E-mail：wang wei18＠mail．cooec．com．cn。