基于FOS分析的石油用井下工具设计方法

王宏宇 王政举 江明星 杨练 郭士东

（中石化中原油田普光分公司采气厂，四川达州 636155）

基于FOS分析的石油用井下工具设计方法

王宏宇 王政举 江明星 杨练 郭士东

（中石化中原油田普光分公司采气厂，四川达州 636155）

在石油用井下工具的设计研发过程中，采用有限元软件开展数值模拟已成为一种较为普遍的技术手段，通过该方法可进行结构优化及材质优选，但模拟-分析-优化过程繁琐，影响了机械设计效率。本文基于SolidWorks nSimulationXpress提出通过FOS分析，实现工具结构的早期优化，以提高机械设计效率，缩短研发周期。

FOS分析 早期优化 机械设计

在石油用井下工具设计过程中，通常采用解析法和实验法对工具进行强度校核，并根据解析和试验结果进行优化。而在产品设计初期，需要不断优化工具结构甚至替换材质才能达到设计要求，期间可能产生较大偏差导致设计效率偏低。而如果在结构设计伊始，适当考虑结构设计与材质选择的合理性，那么初期所建立的样机模型将与最终设计较为接近。

另外，考虑到实际工作中的安全性，设计应力应低于零件材料的失效应力，通常以安全系数来表示［1］，值为失效应力与设计应力的比值。目前大多设计师在确定安全系数上，是根据经验来确定的，一般民用工具安全系数1.5，军用工具安全系数2.0［2-3］。

本文基于SolidWorks nSimulationXpress，提出通过FOS分析考虑几何结构对安全系数的影响，以安全系数为优化条件，指定变量和约束实现工具结构的早期优化。

1 SolidWorks nSimulationXpress简介

SolidWorks Simulation前身为著名的FEA软件COSMOS Works［4-5］，主要功能包括系统及部件分析、多场耦合分析及高级分析等。其所提供的初步分析工具，通过模拟进行最初的方案验证及修改，使得设计结果无限接近于最佳方案。目前，该软件并不支持装配体或多实体零件的分析与优化。

2 FOS分析与早期优化

FOS分析是一种用于评估设计安全性的分析方法［6］，对于标准机械零部件，其许用应力及安全系数都有比较成熟的推荐值，但对于非标准零部件或者出于特殊用途，形状和尺寸均无严格限制的机械零件而言，其许用应力与安全系数是不确定的。通过FOS分析，模拟零件的实际工作状态，可确定其许用应力与安全系数。

图1 FOS分析结果Fig.1 FOS analysis results

表1 优化变量及优化结果

2.1 FOS分析步骤

2.1.1 确定几何模型的可行性

开展FOS分析前，首先应确定几何模型的可行性，即该模型是否能够表达设计师的设计意图，结构复杂时，有必要对模型进行简化。

2.1.2 边界条件设置与载荷加载

与一般的有限元分析步骤相似，FOS分析中，通过定义夹具、载荷、材料完成边界条件设置与载荷加载，通过自定义网格划分完成有限元模型的建立

2.1.3 FOS分析与早期优化

SimulationXpress使用最大von Mises应力准则来计算安全系数，对模型中某一点而言，该点处的安全系数以屈服力除以对等的应力来计算。而利用FOS分析进行早期优化的本质就是通过设定优化条件与目标函数，对数学方程进行求解的过程。

2.2 FOS分析算例

本算例为一特殊结构的井下工具，考察的主要目标是在已有载荷条件下中部圆管的极限尺寸。模型材料为合金钢，弹性模量E= 2.1e+011N/m2，泊松比0.28，屈服强度620.422MPa，初始预加载荷为-120000N，FOS分析结果如图1所示。

由图1可知，在预加载荷作用下，圆管处存在应力集中，极限应力497.720MPa，安全系数1.24653，低于安全系数1.5的要求，优化变量及优化结果见表1所示。

由表1可知，在已有载荷条件下，限定安全系数大于或等于1.5，求解在10～35mm范围内圆管直径的优化值为30mm。

3 结论与认识

（1）在石油用井下工具设计过程中，通过FOS分析来确定许用应力与安全系数，可在一定程度上替代常规解析法和实验法对工具进行强度校核。

（2）利用FOS进行早期优化的主要方向，是在确定许用应力与安全系数后，对零件的结构尺寸进行优化设计。

［1］成大先.机械设计手册.第四版.第一卷.北京：化学工业出版社，2002.1：1-113.

［2］汪恺.机械制造基础标准手册.上册.北京：机械工业出版社，1997.

［3］苏春.关于安全系数法和可靠性设计的讨论［J］.机械科学与技术，1997，01：35-38.

［4］韩绿霞，宋怀俊，张彩云，等.SolidWorks三维造型技术的应用［J］.机械研究与应用，2005（04）.

［5］沈玺，方鹏，宋小青.浅谈ANSYS与SolidWorks的数据交换［J］.装备制造技术，2006（05）期.

［6］徐灏.安全系数与许用应力.北京：机械工业出版社，1981.

王宏宇（1988—），男，湖北荆州人，工程师，大学本科，2010年毕业于中国地质大学石油钻井专业。中石化中原油田普光分公司采气厂管理工程师，主要从事高含硫采气工程与地面集输工程研究。