基于ANSYS的防砂完井专用吊卡有限元分析及结构优化

刘言理（大港油田公司石油工程研究院， 天津 300280）

基于ANSYS的防砂完井专用吊卡有限元分析及结构优化

刘言理（大港油田公司石油工程研究院， 天津 300280）

为提高防砂完井过程中下冲管的施工效率及成功率，对防砂完井专用吊卡进行了结构力学分析，用三维软件solidworks绘制了防砂完井下冲管专用吊卡的几何模型，并将关键部件的几何模型导入到ANSYS里的static structural模块中进行了有限元分析仿真，最终得到了专用吊卡的静力学强度、形变状态的分析结果，并获得了应力云图及相关数据。据此提出了对吊卡结构进行了优化的方案，使其更加稳定可靠，符合施工要求。

ANSYS；防砂完井；吊卡；结构优化

在防砂完井过程中，通常要在防砂完井管柱中下入小直径的冲管，冲管在下入过程中需要用两只专用吊卡进行交换使用，以实现冲管的持续下入。在长达几百米的油层段中，通常要下入配套的冲管长达几百米。因此在反复使用的过程中，要充分保证吊卡的强度和安全性能。文章从有限元分析的角度对吊卡工作过程中的受力情况进行了分析，并对吊卡进行了优化设计。

1 几何模型与网格划分

首先建立装配体几何模型，采用solidworks建立三维模型。对吊卡本体四周进行了倒角处理，对手柄进行了滚花设计，以增加摩擦力，方便拆装。

专用吊卡在施工过程中，主要起作用的部分是承载冲管重量的本体部分，这部分也是施工过程中容易出问题的部分，因此这里主要对本体部分进行网格划分，进行有限元分析。网格划分如图1所示。

网格划分在有限元分析中极为重要，高质量的网格是实现有限元计算的必要前提。这里采用Automatic Method方法，网格最小边长1.5mm，节点数4086个，网格单元数2187。网格质量评估结果如表1所示。

表1 网格质量评估

从网格评估结果看，网格质量较为优良，能够满足计算机进行计算的需要。

2 吊卡强度有限元分析

有限元模型是根据吊卡的实际形状和实际的载荷条件建立有限元分析的计算模型，从而为数值计算提供相应的数据。这里先利用solidworks软件建立吊卡三维模型，然后导入到ANSYS 软件中，并运用软件自带的DesignModeler模块对几何体进行修整。

利用Engineering data功能进行吊卡本体材料的编辑，吊卡材料选用结构钢，密度为7850kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量2×1011Pa，抗拉强度250MPa。

在Static Structural模块中添加约束并施加载荷，按照吊卡的工作状态将吊卡的下平面设置为固定平面，在承压环的表面施加载荷30kN。在Solution下求选择解等效应变、等效应力、总变形最大剪应变等参数。运行Slove求解得到各参数云图如图3-图5所示。

等效应力分布图2表明专用吊卡的最大应力发生在吊卡承压环弯曲的地方，最大应力为4.8121×106Pa，属于典型的应力集中现象，专用吊卡的其它大部分应力基本在2.2×106Pa以下，吊卡的静载荷强度足够，但为了更好地能够满足现场生产需要，有必要对承压环的结构进行优化。

等效应变的分布云图如图3所示，等效应变的分布规律与等效应力的分布规律很相似，较大的应变主要集中在承压环的内边缘和外边缘上，最大应变数值为2.1471×10-5。

总变形的分布云图如图4所示，从图中可以看出最大变形出现在吊卡承压环的外边缘处，最大变形量为4.5011×10-7m。其它部分的变形较为对称、均匀。

3 结构优化建议

（1）建议对吊卡承压环面积加大，减少单位面积上所受的压力，同时承压环两侧边缘处应力集中较为明显，是裂纹、断裂等情况发生的主要位置，可以采取底部圆角结构过渡，减少应力集中。

（2）对承压坐部分进行加硬处理，减少磨损和变形，增加使用寿命。也可以在承压环上采用弹簧钢材质的半圆环垫，在多次使用后，只需更换半圆垫即可。

图1 本体部分网格划分

图2 等效应力分布

图3 等效应变分布

图4 总变形分布