基于Abques的石油钻机大钩钩体分析与计算

吕宵宵 赵毅红 张志萍

摘  要： 为保证大钩钩体满足设计要求，根据API 8C和AMSE的相关标准，对YG-170型的大钩钩身进行了有限元分析。利用SolidWorks软件构建大钩钩身的三维实体模型，应用Abques软件对其进行有限元应力应变分析，结合分析结果对大钩构体在最大钩载和最大钻柱重量条件下的强度、刚度进行校核计算，计算结果完全符合标准要求。

关键词： 大钩钩体;有限元;Abques

中图分类号： TE923;TP39    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.08.010

本文著录格式：吕宵宵，赵毅红，张志萍，等. 基于Abques的石油钻机大钩钩体分析与计算[J]. 软件，2019，40（8）：4648

【Abstract】： Finite element anslysis of YG170 oil drilling hook body to ensure that meets the design requirements， according to the related standards of API 8C and AMSE. The 3d solid model of the hook body was built by SolidWorks， and the finite element stress and strain analysis was carried out with Abques. Combined with the analysis results， the strength and stiffness of the hook body under the condition of the maximum hook load and the maximum weight of the drill string were checked and calculated， and the calculated results completely meet the requirements of the standards.

【Key words】： Hook; Finite element; Abques

0  引言

大钩在钻采和修井作业中主要用于起下钻具、悬持钻柱、下套管或遇阻时用于提拔钻柱，排除井下事故。游车大钩作为钻机设备必不可少的提升设备，可用于提升水龙头或者是顶驱设备。其结构形式有两种，分别为分体式和整体式。两者相比后者具有结构紧凑、整体长度较短的特点[1]。大钩构体部分是钻机上的重要受力部件。由于钩体的承载能力，安全性能至关重要，在大钩的设计计算过程中，为了保证钩体设计的合理性和使用安全性，对钩体的力学性能研究是其设计的核心部分[3]。

本次进行有限元分析的大钩为YG-170型，为确保该产品质量及使用的可靠性，按照API SPEC 8C标准对其进行设计分析。目前对钩体的有限元分析主要集中在对其强度的分析[2-4]。本文则利用Abaqus的中心差分显式积分法对钩体进行了应力应变分析，结合分析结果进行强度、刚度的校核计算。

1  有限元模型建立

1.1  模型建立

根据大钩的产品结构设计图，对其进行整体结构的三维实体建模。考虑到局部细节对有限元建模及分析运算的影响，在不影响力学特性的前提下，忽略对钩载的传递没有影响和作用不大的零件。在建模过程中对螺纹孔、圆角特征等部分进行了简化处理，模型如图1。

1.2  网格划分

将模型导入Abques中进行网格设置。通过比较，选择结构化网格，单元形状为Hex，设置好默认网格种子数，对钩体局部细小区域及可能产生应力集中的部分采取网格加密处理。共划分单元数为41675，结点数为47425，得到大钩Abques有限元的计算模型如图2。

1.3  边界与载荷处理

在对大钩钩体进行计算时，施加恒定载荷，忽略大钩在运动过程产生的振动等因素。由于大钩钩體为轴对称，所以在模型对称面即1/2钩身处施加对称约束。在钩体圆筒施加垂直方向的固定约束。

1.4  材料属性

Y170型大钩钩体由合金铸钢铸造而成，材料为ZG25MnCrNiMo，通过查阅相关材料手册，其基本性能参数见表1。

2  钩体有限元结果分析

2.1  钩体受最大载荷分析

YG170型大钩最大钩载为1700 KN，其应力如图3，变形如图4所示。通过应力及变形图可知：在最大钩载作用下，钩体的最大应力发生在中间凹槽两边的薄板处，最大应力值为228.5 MPa。最大变形发生在中间凹槽两边的薄板处，最大变形量为1.215 mm。

根据API Spec 8C标准要求，最大钩载为1700 KN时，安全系数为2.9[5]。根据有限元分析结果进行钩体强度安全系数计算，安全系数为：690/228.5=3.02，满足安全强度的要求。

根据API Spec 8C，临界永久变形不得超过2%，接触区除外[5]。钩体高为935 mm，临界变形值为1.87 mm，根据图4得出最大变形量为1.215 mm小于1.87 mm，满足变形刚度要求。

2.2  钩体受最大钻柱重量分析

YG170型大钩最大钻柱重量900 KN，其应力如图5，变形如图6所示。通过应力及变形图可知：

在最大钻柱重量作用下，钩体的最大应力发生在两侧耳座处，最大应力值为124.4 MPa。最大变形发生在钩体两侧耳座，最大变形量为0.1557 mm。

根据API Spec 8C标准要求，最大钻柱重量小于1334 kN时，安全系数为3[5]。根据有限元分析结果进行钩体强度安全系数计算，安全系数为：690/124.4=5.55，满足安全强度的要求。

根据API Spec 8C，临界永久变形不得超过2%，接触区除外[5]。钩体高为935 mm，临界变形值为1.87 mm，根据图6得出最大变形量为0.1557 mm小于1.87 mm，满足变形刚度要求。

3  结论

利用有限元分析法對YG170型大钩钩体在2种不同的工况下进行了静力学分析。通过以上分析，得出大钩钩体在最大载荷和最大钻柱重量下的应力应变情况，并根据API Spec 8C的标准要求，对大钩进行了强度、刚度分析，计算结果均满足API Spec 8C的标准。但由于未考虑实际生产条件下的振动等相关因素，所以计算结果偏于安全，还可进一步优化。

参考文献

[1] 黄咸璞， 党元， 高峰. YG135整体式游车大钩的设计[J]. 石油矿场机械， 1996， 25 （5）： 11-16.

[2] 杨红刚 蒲容春 骆宏骞. DG900型大钩钩体有限元强度分析[J]. 石油矿场机械， 2008， 37（10）： 43-46.

[3] 刘春友. DG675型大钩钩身有限元强度分析与设计优化[J]. 石油矿场机械， 2015， 44（12）： 27-30.

[4] 马世榜 黄荣杰 冯庆东 张林海. DG225型石油钻机大钩吊环座有限元分析[J]. 新技术新工艺， 2017， （4）： 59-62.

[5] API Spec 8C， Specification for Drilling and Production Hoisting Equipment（PSL 1 and PSL 2） [S] . 2012.

[6] 余华俐 徐创文. 基于Pro/E和ANSYS的钻机大钩强度有限元分析[J]. 制造业自动化， 2009， 31（10）： 119-121.

[7] 杨智棠. 基于有限元分析的小型石油钻机拖挂机构优化设计[J]. 装备制造技术， 2018， （10）： 43-47.