某型號扶正器連接螺紋的結(jié)構(gòu)重構(gòu)設(shè)計

郭銀賽，張 毅，程明科

( 西京學(xué)院 研究生部，西安 710123)

0 引言

扶正器（如圖1所示），作為一種重要的固井工具，安裝在石油取芯鉆具的外筒上,其可提高外筒和鉆頭工作的穩(wěn)定性，并有利于工作時防斜對中。扶正器的主要作用是傳遞和承受鉆壓，并帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，保護(hù)內(nèi)巖心筒。

圖1 扶正器實物圖

由于石油取芯鉆具工作條件十分惡劣,受力情況非常復(fù)雜，扶正器外管損壞相當(dāng)嚴(yán)重，并且大部分外管的失效部位都是在接頭螺紋上[1,2]，如何來選擇合理的扶正器的螺紋結(jié)構(gòu)幾何參數(shù), 進(jìn)而來提高螺紋連接的剛度及強度, 具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。

因此，本文針對某型號扶正器特殊梯形螺紋接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了仿真、分析和研究。

1 螺紋接頭的有限元分析

1.1 有限元模型建立

扶正器螺紋接頭的螺旋升角對載荷沿螺紋牙分布的影響很小，可忽略不計，因此可將其作為軸對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理[3]。模型可簡化為二維模型進(jìn)行仿真分析。

該扶正器的螺紋結(jié)構(gòu)是一種特殊的非標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋。依據(jù)螺紋結(jié)構(gòu)CAD圖紙，準(zhǔn)確計算出模型中每個關(guān)鍵點的坐標(biāo)值，編寫相應(yīng)的APDL語言，進(jìn)而建立連接螺紋的二維幾何模型，如圖2所示。

圖2 連接螺紋的二維幾何模型

扶正器材料為45CrNiMoVA，系各項同性彈塑性材料，彈性模量為2.14×105MPa，泊松比為0.29，材料的屈服極限為1330MPa，材料摩擦系數(shù)為0.1。選擇單元類型為8節(jié)點平面軸對稱單元PLANE82，CONTA171（單元類型參考號）[4]。對模型進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，單元邊長為1mm。節(jié)點數(shù)為5944，單元數(shù)為1778。如圖3所示為連接螺紋的有限元模型。

圖3 連接螺紋的有限元模型

1.2 載荷加載及邊界條件的設(shè)定

已知螺紋接頭受到10kNM的工作扭矩和70kN的軸向外載荷壓力，通過計算分析，將上述兩種載荷轉(zhuǎn)化為可加載到有限元模型上的均布載荷[5]。螺紋接頭的力學(xué)計算模型如圖4所示。

圖4 力學(xué)計算模型

在ANSYS軟件中左端施加位移固定約束，右端施加經(jīng)計算得到的均布載荷。接觸對的設(shè)置：臺肩2對接觸對，螺紋的接觸面15對接觸對，一共17對接觸對[6]。如圖5為有限元模型的載荷施加示意圖。

圖5 載荷施加示意圖

1.3 有限元結(jié)果分析

利用ANSYS對連接螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性接觸有限元分析，螺紋接頭的合位移以及Von Mises應(yīng)力等值線圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 合位移等值線圖

圖7 Von Mises應(yīng)力等值線圖

由圖6可知最大合位移出現(xiàn)在母螺紋接頭的最右端（右端臺肩區(qū)域處），數(shù)值為1.303mm，從整體變形情況可以看出公螺紋接頭所受到的變形量要稍大于母螺紋接頭所受的變形量；由圖7可知，最大等效應(yīng)力是1052MPa，出現(xiàn)在左臺肩標(biāo)有MX的區(qū)域處，這主要是應(yīng)力集中造成的。從整體螺紋接頭受力情況可以看出與其他部位相比，螺紋牙根部的等效應(yīng)力較大，且右端第一個螺紋牙處更容易發(fā)生斷裂等失效現(xiàn)象[7]。

從圖6和圖7可以看出在已知載荷受力情況下螺紋接頭所受的變形量和應(yīng)力相對而言都比較大，其力學(xué)性能（密封與承載性能）較差。在惡劣的工作條件下，其螺紋接頭失效的可能性較大。從側(cè)面說明了原螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷，有必要對原螺紋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，遴選出對其力學(xué)性能影響較大的一些參數(shù)，對相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)選，在此基礎(chǔ)上，將螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計。

2 螺紋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

本文采用仿真實驗的方法，通過將改變螺紋結(jié)構(gòu)中某個參數(shù)值得到的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，驗證各個參數(shù)與螺紋剛度強度的關(guān)系。

主要對以下7個參數(shù)進(jìn)行改變：牙數(shù)、牙型角、牙齒高、螺距、螺紋錐度、左右端基面距、螺紋直徑。需要說明的是本文中的螺紋接頭是一種特殊的非標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋結(jié)構(gòu)，以上7個參數(shù)值的改變都是在考慮了螺紋結(jié)構(gòu)加工工藝的前提下進(jìn)行的。

由上述有限元分析結(jié)果可知：原螺紋接頭受到1.303mm的最大合位移以及1052MPa的最大等效應(yīng)力，原螺紋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 原螺紋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 改變螺紋牙數(shù)的仿真結(jié)果對比

表3 改變螺紋牙齒高的仿真結(jié)果對比

表4 改變螺紋牙型角的仿真結(jié)果對比

表5 改變螺紋錐度的仿真結(jié)果對比

表6 改變螺距的仿真結(jié)果對比

表7 改變螺紋直徑的仿真結(jié)果對比

表8 改變左右端基面距的仿真結(jié)果對比

由表1～表8可知，影響螺紋接頭力學(xué)性能（密封與承載性能）較大的因素有：螺紋的錐度、螺距、螺紋直徑和基面距。與以上四個參數(shù)相比而言，螺紋接頭的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)（牙型角、牙數(shù)、齒高）對于螺紋性能的影響較小。

3 螺紋結(jié)構(gòu)的重構(gòu)設(shè)計

在保持牙型角、牙數(shù)、齒高這些影響因素小的參數(shù)不變的情況下，分別選取螺紋錐度、螺距、螺紋直徑、左右端基面距等四個參數(shù)的最優(yōu)值（如表5～表8所示），即1:16、7.466、-1、-3。每個結(jié)構(gòu)參數(shù)有兩種選擇值（原始值、最優(yōu)值），則總共有16個改進(jìn)方案。

在相同載荷受力的情況下再次利用ANSYS軟件對這16個改進(jìn)方案分別進(jìn)行有限元仿真分析，通過仿真分析結(jié)果對比，得出1個可供選擇的最佳方案。其方案的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表9所示。

表9 最佳方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)

最佳方案的螺紋接頭的合位移以及Von Mises應(yīng)力等值線圖分別為圖8和圖9所示。

圖8 合位移等值線圖

圖9 Von Mises應(yīng)力等值線圖

由圖6～圖9可以看出優(yōu)化前后的螺紋接頭受力分布情況基本類似。原結(jié)構(gòu)方案與最佳方案的螺紋接頭的力學(xué)性能指標(biāo)對比如表10所示。

表10 優(yōu)化前后螺紋接頭力學(xué)性能的比較

由表10可以看出螺紋接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后，其力學(xué)性能得到了極大程度地提高，其抗失效能力得到了很好地增強，在惡劣的工作環(huán)境下螺紋接頭失效的可能性將會大大地降低。

4 結(jié)論

1）在ANSYS平臺上對某型號扶正器的特殊連接螺紋進(jìn)行了接觸非線性有限元分析，識別出了原螺紋結(jié)構(gòu)存在較大的缺陷。

2）通過改變原梯形螺紋的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行大量的仿真分析對比，可知相較于其他螺紋參數(shù)，螺紋錐度、螺距、螺紋直徑、基面距是影響螺紋接頭力學(xué)性能（密封與承載性能）較大的四個因素。

3）在上述結(jié)論的基礎(chǔ)上，對原螺紋進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，選出了一個最佳螺紋接頭結(jié)構(gòu)方案。優(yōu)化后的新螺紋接頭的力學(xué)性能得到了極大程度地提高，取得了良好的優(yōu)化效果。同時本文的優(yōu)化設(shè)計方法對類似結(jié)構(gòu)件的改進(jìn)有一定的參考意義。

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