秦才會(huì) 侯洪為

(海洋中院中海油服油技研究院 北京)

基于ANSYS中APDL語言對(duì)測(cè)井儀器承壓外殼的有限元分析

秦才會(huì) 侯洪為

(海洋中院中海油服油技研究院 北京)

對(duì)于常規(guī)的力學(xué)分析者來說,等效轉(zhuǎn)化進(jìn)行理論計(jì)算測(cè)井儀器外殼受力情況,這種方式往往分析太過粗略,不能確準(zhǔn)知道某一位置受力情況。基于ANSYS中APDL語言的有限元分析,由于可以從節(jié)點(diǎn)開始建模,因此：節(jié)點(diǎn)、單元可控。即任意處節(jié)點(diǎn)編號(hào)、單元編號(hào)、節(jié)點(diǎn)應(yīng)力,節(jié)點(diǎn)應(yīng)變等均可方便提取,使有限元分析者對(duì)整個(gè)模型任意位置的應(yīng)力、應(yīng)變等信息均可清楚了解。文章以測(cè)井儀器承壓外殼為例說明基于ANSYS中APDL語言對(duì)測(cè)井儀器承壓外殼的有限元分析的優(yōu)點(diǎn)。

測(cè)井儀器;承壓外殼;應(yīng)力;形變;有限元分析

0 引 言

石油測(cè)井儀器在井下工作時(shí),由于受井中溫度、壓力的影響,在設(shè)計(jì)承壓外殼時(shí)往往要求儀器外殼承壓140 MPa,耐溫150℃。在高溫、高壓的惡劣環(huán)境中,為保護(hù)好測(cè)井儀器,要求測(cè)井儀器承壓外殼有足夠的強(qiáng)度。因此需對(duì)測(cè)井儀器承壓外殼進(jìn)行力學(xué)分析。

1 理論計(jì)算應(yīng)力分析

測(cè)井儀器承壓外殼設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行外殼設(shè)計(jì),往往要從基礎(chǔ)公式進(jìn)行推導(dǎo)出承壓外殼應(yīng)力計(jì)算公式。根據(jù)彈性失效準(zhǔn)則的第三理論推導(dǎo)出承壓外殼簡(jiǎn)化計(jì)算公式如下：

式(1)中,p2為儀器承受的外壓力;K為儀器內(nèi)徑與外徑比。式中只能大致的計(jì)算鋼筒的最大應(yīng)力,實(shí)際上鋼筒所承受的應(yīng)力在軸向上是變化的,應(yīng)力、應(yīng)變?nèi)绾畏植肌⒆畲笞冃畏植嫉榷紵o法得知。要想獲知他們的真實(shí)應(yīng)力分布情形還得借助有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算。

2 基于ANSYS中APDL語言從節(jié)點(diǎn)建模的有限元分析

APDL語言作為ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言,在設(shè)計(jì)時(shí)只須改變APDL宏文件幾個(gè)參數(shù),就可生成新的模型,并進(jìn)行求解。這就大大提高工作效率,并且在建模設(shè)計(jì)時(shí),可以從節(jié)點(diǎn)開始,生成單元,建立有限元網(wǎng)格,這樣建立的有限元模型結(jié)點(diǎn)、單元完全可控。進(jìn)行有限元分析完成后,就可以準(zhǔn)確知道待分析零部件任何位置應(yīng)力、應(yīng)變情況。以測(cè)井儀器承壓外殼為例說明建立有限元模型并進(jìn)行有限元分析的過程,圖1為測(cè)井儀器承壓外殼的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 測(cè)井儀器承壓外殼結(jié)構(gòu)示意圖

為了和理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比,簡(jiǎn)化承壓外殼模型,以L=2 m,內(nèi)徑 d=0.076 2 m,外徑 D=0.092 m為例建立儀器有限元模型。下面簡(jiǎn)要說明用APDL語言從節(jié)點(diǎn)開始建立測(cè)井儀器承壓外殼的有限元模型及分析步驟。

1)定義模型物理參數(shù)等：

圖2 測(cè)井儀器承壓外殼有限元模型

從圖2中,可以看出有限元網(wǎng)格劃分非常規(guī)則、整齊。在建立有限元模型前,需要將每個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)排好,然后再給單元分配好編號(hào)。這樣就可以知道任何位置的節(jié)點(diǎn)編號(hào)、單元編號(hào),為以后提取某處節(jié)點(diǎn)、單元應(yīng)力作準(zhǔn)備。

圖3 測(cè)井儀器承壓外殼應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D

從圖3中,可以看出測(cè)井儀器承壓外殼最大應(yīng)力為969 MPa,最大變形為0.000 321。依第三強(qiáng)度理論計(jì)算公式(1),計(jì)算得承壓外殼最大應(yīng)力892 MPa,公式與有限元分析軟件計(jì)算的最大應(yīng)力偏差為8%,有限元分析結(jié)果有效。

圖4是承壓外殼一端應(yīng)力云圖,圖5是承壓外殼中間位置應(yīng)力云圖。

由于外殼是軸對(duì)稱的,因此可以選取某一位置從里到外的幾個(gè)單元分析受力情形。從圖4、圖5中可以看出,承壓外殼內(nèi)表面應(yīng)力最大,從內(nèi)表面向外應(yīng)力在逐漸減小。最大應(yīng)力不是發(fā)生在中間單元,而是在兩端單元上。

圖4 承壓外殼一端應(yīng)力云圖

圖5 承壓外殼中間位置應(yīng)力云圖

選取承壓外殼軸向單元,繪外殼軸向所選單元應(yīng)力云圖。

圖6是承壓外殼過軸截面應(yīng)力云圖。

圖6 承壓外殼過軸截面應(yīng)力云圖

從圖6中可以看出,測(cè)井儀器承壓外殼最大壓力發(fā)生在外殼約束和非約束的過渡區(qū)域,即最大壓力為局部應(yīng)力,理論計(jì)算的應(yīng)力為一定壁厚材料所能承受的最大應(yīng)力。通過有限元分析,我們可以對(duì)測(cè)井儀器承壓外殼局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化,改善其受力情形提供有力的參考,同時(shí),我們還可以將外殼內(nèi)徑、長(zhǎng)度等數(shù)值賦予參數(shù),進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。如：＊set,L,2＊set,d,0.0762＊set,D,0.092等。

3 結(jié)束語

本文基于ANSYS中APDL語言對(duì)測(cè)井儀承壓外殼從節(jié)點(diǎn)開始建立有限元模型進(jìn)行有限元分析。其結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相符度較高,并且可以知道任意位置的受力情況,對(duì)測(cè)井儀器承壓外殼的受力情形了解非常清楚,可以為以后的外殼優(yōu)化提供有力的依據(jù)。另外還可以參數(shù)化建立有限元模型進(jìn)行有限元分析,這樣只需改變幾個(gè)參數(shù),就能對(duì)不同規(guī)格的模型進(jìn)行有限元分析。

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TE91

B

1004-9134(2011)06-0072-03

秦才會(huì),男,1980年生,工程師,2006年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)在中海油服油技研究院從事石油測(cè)井儀器的研發(fā)工作。郵編：065201

2011-08-09

高紅霞)

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