基于ANSYS的双驴头抽油机关键连接处焊接残余应力有限元分析

邹龙庆 王子研 李玉倩 陈桂娟

（1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.大庆石化公司水气厂污水联合车间）

机械采油是开采石油的主体采油工艺，其中游梁式抽油机应用广泛，是机械采油系统的主要设备。 常规型游梁式抽油机因其结构简单、可靠性强、易损件少、操作简单及维修方便等优点使用最为普遍。 但是常规型游梁式抽油机仍存在总体效率较低等问题， 为了提高抽油系统的效率，先后出现了多种改进型号，双驴头抽油机是一种新型的节能型抽油机，是中国首创的，以常规抽油机为基础模型、除常规抽油机外发展最迅速的一种抽油机机型［1］，有冲程长、动载小及能耗低等优点，适用于开采中、低黏度原油和高含水原油，是一种长冲程节能型抽油机［2］。

双驴头抽油机结构最主要的特点是在常规型抽油机的基础上添加了后驴头， 使传统的四杆机构转变成“变四杆机构”，从而减小了传动角的变化范围，加大冲程长度，同时因使用了后驴头来平衡整体结构， 使驴头弧形面圆心与游梁的摆动中心重合， 将悬点所受的载荷一部分传给了游梁，使曲柄、连杆和横梁部分的载荷减小，缩小了减速器输出轴的扭矩，提高了电机的利用效率， 满足了老油田油井注水开发这样的高含水采油期采油的需要，并且节能效果较好。但是对双驴头抽油机在大庆地区使用情况总结报告进行分析， 发现后驴头与游梁销轴连接处容易发生疲劳裂纹破坏，直至断裂，且在游梁与前后驴头的连接孔处均有应力集中现象。 研究发现， 这是因为后驴头长期在交变载荷作用下发生疲劳破坏， 同时驴头和游梁的焊接处存在焊接残余应力。

焊接构件在焊接残余应力和工作温度、工作介质共同作用下，还将严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力［3］。随着计算机技术的发展，目前已有很多学者借助数值模拟的方法分析焊接残余应力与变形，鹿安理等利用了三维数值模拟对厚板试件焊接过程进行了初步研究，孟庆国等对多道焊温度场数值模拟及其分布规律进行了研究，Velaga S K等对比分析了同一个圆筒上环焊缝与对接焊缝的焊接特性［4～6］。 但是迄今为止，基于ANSYS的对双驴头抽油机关键连接部位的焊接残余应力的模拟仿真还没有实现。

因此，笔者利用ANSYS软件，对双驴头抽油机后驴头与游梁的关键连接部位的焊接残余应力进行模拟仿真，掌握残余应力产生的原因和存在的规律性，以提高焊接构件或焊接接头的承载能力，防止发生失效事故。

1 双驴头抽油机关键连接处有限元模型的建立

双驴头抽油机的结构如图1所示， 主要由电机、减速器、曲柄、连杆、游梁、前/后驴头、支架、钢丝绳及平衡重等部分组成。 其主要工作原理为：电机通过减速器将高速旋转运动转化为低速转动运动传递给输出轴，输出轴带动曲柄，通过曲柄传动连杆、游梁带动后驴头悬绳，通过后驴头拉动游梁来回摆动， 前驴头随之做上下往复运动，使抽油杆随驴头运动将油抽出油井。

图1 双驴头抽油机的结构示意图

双驴头抽油机中后驴头与游梁通过两圆柱销连接，先将连接套与后驴头焊接，再插入销轴进行装配［7］。 试件材料选用Q345钢，建立的抽油机后驴头和连接套模型如图2所示， 因后驴头整体模型过大，仿真时间过长不利于计算，且焊接残余应力主要集中在套筒与后驴头幅板的连接处，因此对该模型进行简化和网格划分（图3），以节省计算时间。 焊接材料物理常数见表1。

图2 后驴头整体模型

图3 简化模型及网格划分

表1 焊接材料物理常数

建立不同焊缝形式的模型（试件S1、S2）进行对比分析，分别为直角焊缝和45°坡口焊缝。划分有限元模型时采用20节点单元solid90，为使计算结果更加精准，焊缝处应使用较密网格划分，网格尺寸为0.005，远离焊缝区域网格尺寸为0.010， 焊缝有限元模型和尺寸如图4 所示。

图4 试件模型断面和尺寸

2 换热边界条件的设置

在模拟焊接温度场的过程中，需要设置的边界条件主要是试件与空气接触的各表面的散热情况，而焊缝表面在焊接时铺满焊剂，故可忽略与空气的热交换。 考虑到是固体与气体的热传导，且随着温度的变化，材料参数会发生很大的改变，并伴随着相变潜热，所以该计算属于瞬态非线性计算，满足如下的控制方程［8］：

式中 c——比热容；

Q——热源强度；

t——传热时间；

T——温度场分布函数；

λ——热传导率；

ρ——密度。

因为试件在焊接过程中，存在与空气的热交换，所以边界条件方程为：

式中 a——表面对流换热系数；

Ta——周围介质温度；

Ts——物体表面温度。

3 生死单元热源加载

焊接热源模型的选取，热源移动速度和模型的形状与尺寸都直接影响着焊接温度场的分布，进而也会影响到焊接残余应力的分布规律。 因此，在模拟焊接过程的温度场时，热源模型的选择至关重要，关系到焊接温度场和应力变形结果的准确性，特别是对热源附近的影响更大。 对此，专家们提出了一系列的热源模型，其中应用比较普遍的是高斯分布热源模型、双椭球热源模型和基于生死单元的焊接热源加载模型。 高斯、双椭球两种热源模型是将焊接热源直接施加在整个有限元模型上，不能实现焊缝金属熔化和填充过程，而生死单元能通过控制单元的“生死”来达到模拟实际焊接过程。

笔者应用生死单元模拟整个焊接过程，在ANSYS软件中“杀死”有限元模型中的单元并不是将该单元从模型中删除，只是将热传导矩阵乘以一个很小的因子，如10-6。 同理，单元的“出生”是将它重新激活［9］，并施加生热率（HGEN），热载荷的作用时间等于实际的焊接时间（dt），生热率的计算公式为：

式中 Aweld——焊缝的横截面积；

I——焊接电流；

U——电弧电压；

ν——焊接速度；

η——焊接热效率。

具体参数为：焊接电流170A、电弧电压22V、焊接速度10mm/s、焊接热效率0.75、焊缝横截面积24.5mm2。

4 焊接残余应力有限元分析过程

采用间接法计算，即先计算温度场，再把温度场的计算结果作为结构分析的载荷进行焊接应力和应变的计算。 将热源以生热率的形式施加在焊缝单元内部， 同时考虑金属的填充作用，采用生死单元的方法，逐步将填充焊缝转化为“生单元”参与计算。 此模型为环形焊缝，为模拟真实的焊接过程， 需利用ANSYS自带的APDL语言编写子程序，运用循环语句，移动电弧中心坐标的方式实现。 首先将焊缝单元排序，然后存入二维数组，最后对数组内的每行单元按照中心坐标排序，就可以模拟热源的移动过程。 热源的移动以载荷步形式处理，在求解计算过程中，当热源从一个时间步移动到下一个时间步时，求解器将自动从该数组的参数中读取下一载荷步，使得下一个节点的生热率覆盖上一载荷步的生热率值。 设置每0.5s为一个载荷步，为保证焊接充分冷却，冷却时间设为6 000s，载荷步长采用自动划分。

4.1 温度场计算结果

通过后处理器读取时间载荷步结果，得到不同时刻的温度场分布（图5），随着焊接热源的不断移动，温度场分布也不断发生变化，而热源周围的温度场形状基本保持不变，呈准稳态变化。

图6为选取外表面不同位置5个节点温度随时间变化曲线，可看出焊缝方向节点的温度循环特征相似，随着热源的到来温度迅速升高，最高温度可达到熔化温度1 500℃，热源离去温度又迅速降低。 并且由于热传导缘故，距离焊缝中心越远处，温度越低。 冷却时，各点温度逐渐降低至趋于焊件的平均温度为止。

图5 焊接时温度场分布

图6 不同位置各节点热循环曲线

4.2 应力场计算结果

利用间接法计算应力场，即在温度场计算完成后， 把求得的热分析结果.rth文件作为体载荷加载到模型上进行应力场计算。 使用APDL命令把solid90热单元转化为solid95结构单元。 结构边界条件需要与实际力学边界条件相符合，既不能使结构产生多余的约束变形，也不能缺少必要的约束自由度［10］。 图7为两试件同一时间的残余应力分布情况，即最后一刻钢板的变形情况，此时为6 000s时的应力分布云图。 由图7可知，试件S1的中心等效应力为391MPa， 试件S2的中心等效应力为371MPa。 最大应力集中在焊接的起止处，最大可达440MPa， 造成这一现象的原因是在焊接的过程中，焊接的起止点位置发生重叠，当热源移动一周重新回到起点时，起点处已经形成的焊缝会起到约束变形效果， 造成此处应力叠加［11］。 两试件的残余应力曲线如图8所示，通过对比两试件的应力变化曲线可得，距离焊缝中心越远，残余应力逐渐减小。 且试件S2的残余应力小于试件S1的残余应力，此结果表明在焊缝形状的选择上，45°坡口焊缝优于直角焊缝。

图7 试件残余应力分布云图

图8 试件S1、S2的残余应力曲线

5 结论

5.1 通过对比分析不同焊缝形式的模型计算出的残余应力分布云图可知，试件S1与S2连接孔周围2cm以内的焊接残余应力的平均数值分别为391MPa与371MPa。 此结果表明开45°坡口试件的残余应力小于直角焊缝试件的残余应力，且对试件开坡口可以保证较厚板材或其他结构能够焊透、融合好，还能调整焊接热量输入、提高焊缝接头强度。 所以，在今后对双驴头抽油机关键连接处进行焊接前，应先对套筒进行开坡口加工。

5.2 起始、终止位置处的应力集中现象是由于热源移动一周后回到起点，重合处往往会受到已生成焊缝的约束，导致应力集中区域的产生，其应力最大值可达到440MPa， 大于Q345材料的屈服强度345MPa。 为避免这种情况的发生，应选取合适的焊接工艺并做好焊后热处理工作。

5.3 双驴头抽油机中后驴头与游梁连接处平均残余应力可以达到350MPa以上，由此可得后驴头与游梁连接处经常发生撕裂性裂纹现象的原因除了运动过程中受交变应力所造成的疲劳破坏外，焊接残余应力也是造成破坏的主要因素。 因此，在加工过程中应考虑改进焊接工艺，以减小焊接残余应力对构件的影响。