基于FOS分析的石油用井下工具設(shè)計(jì)方法

王宏宇 王政舉 江明星 楊練 郭士東

（中石化中原油田普光分公司采氣廠，四川達(dá)州 636155）

基于FOS分析的石油用井下工具設(shè)計(jì)方法

王宏宇 王政舉 江明星 楊練 郭士東

（中石化中原油田普光分公司采氣廠，四川達(dá)州 636155）

在石油用井下工具的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，采用有限元軟件開展數(shù)值模擬已成為一種較為普遍的技術(shù)手段，通過(guò)該方法可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及材質(zhì)優(yōu)選，但模擬-分析-優(yōu)化過(guò)程繁瑣，影響了機(jī)械設(shè)計(jì)效率。本文基于SolidWorks nSimulationXpress提出通過(guò)FOS分析，實(shí)現(xiàn)工具結(jié)構(gòu)的早期優(yōu)化，以提高機(jī)械設(shè)計(jì)效率，縮短研發(fā)周期。

FOS分析 早期優(yōu)化 機(jī)械設(shè)計(jì)

在石油用井下工具設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常采用解析法和實(shí)驗(yàn)法對(duì)工具進(jìn)行強(qiáng)度校核，并根據(jù)解析和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，需要不斷優(yōu)化工具結(jié)構(gòu)甚至替換材質(zhì)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，期間可能產(chǎn)生較大偏差導(dǎo)致設(shè)計(jì)效率偏低。而如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)伊始，適當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材質(zhì)選擇的合理性，那么初期所建立的樣機(jī)模型將與最終設(shè)計(jì)較為接近。

另外，考慮到實(shí)際工作中的安全性，設(shè)計(jì)應(yīng)力應(yīng)低于零件材料的失效應(yīng)力，通常以安全系數(shù)來(lái)表示［1］，值為失效應(yīng)力與設(shè)計(jì)應(yīng)力的比值。目前大多設(shè)計(jì)師在確定安全系數(shù)上，是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的，一般民用工具安全系數(shù)1.5，軍用工具安全系數(shù)2.0［2-3］。

本文基于SolidWorks nSimulationXpress，提出通過(guò)FOS分析考慮幾何結(jié)構(gòu)對(duì)安全系數(shù)的影響，以安全系數(shù)為優(yōu)化條件，指定變量和約束實(shí)現(xiàn)工具結(jié)構(gòu)的早期優(yōu)化。

1 SolidWorks nSimulationXpress簡(jiǎn)介

SolidWorks Simulation前身為著名的FEA軟件COSMOS Works［4-5］，主要功能包括系統(tǒng)及部件分析、多場(chǎng)耦合分析及高級(jí)分析等。其所提供的初步分析工具，通過(guò)模擬進(jìn)行最初的方案驗(yàn)證及修改，使得設(shè)計(jì)結(jié)果無(wú)限接近于最佳方案。目前，該軟件并不支持裝配體或多實(shí)體零件的分析與優(yōu)化。

2 FOS分析與早期優(yōu)化

FOS分析是一種用于評(píng)估設(shè)計(jì)安全性的分析方法［6］，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械零部件，其許用應(yīng)力及安全系數(shù)都有比較成熟的推薦值，但對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)零部件或者出于特殊用途，形狀和尺寸均無(wú)嚴(yán)格限制的機(jī)械零件而言，其許用應(yīng)力與安全系數(shù)是不確定的。通過(guò)FOS分析，模擬零件的實(shí)際工作狀態(tài)，可確定其許用應(yīng)力與安全系數(shù)。

圖1 FOS分析結(jié)果Fig.1 FOS analysis results

表1 優(yōu)化變量及優(yōu)化結(jié)果

2.1 FOS分析步驟

2.1.1 確定幾何模型的可行性

開展FOS分析前，首先應(yīng)確定幾何模型的可行性，即該模型是否能夠表達(dá)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)意圖，結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，有必要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

2.1.2 邊界條件設(shè)置與載荷加載

與一般的有限元分析步驟相似，F(xiàn)OS分析中，通過(guò)定義夾具、載荷、材料完成邊界條件設(shè)置與載荷加載，通過(guò)自定義網(wǎng)格劃分完成有限元模型的建立

2.1.3 FOS分析與早期優(yōu)化

SimulationXpress使用最大von Mises應(yīng)力準(zhǔn)則來(lái)計(jì)算安全系數(shù)，對(duì)模型中某一點(diǎn)而言，該點(diǎn)處的安全系數(shù)以屈服力除以對(duì)等的應(yīng)力來(lái)計(jì)算。而利用FOS分析進(jìn)行早期優(yōu)化的本質(zhì)就是通過(guò)設(shè)定優(yōu)化條件與目標(biāo)函數(shù)，對(duì)數(shù)學(xué)方程進(jìn)行求解的過(guò)程。

2.2 FOS分析算例

本算例為一特殊結(jié)構(gòu)的井下工具，考察的主要目標(biāo)是在已有載荷條件下中部圓管的極限尺寸。模型材料為合金鋼，彈性模量E= 2.1e+011N/m2，泊松比0.28，屈服強(qiáng)度620.422MPa，初始預(yù)加載荷為-120000N，F(xiàn)OS分析結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在預(yù)加載荷作用下，圓管處存在應(yīng)力集中，極限應(yīng)力497.720MPa，安全系數(shù)1.24653，低于安全系數(shù)1.5的要求，優(yōu)化變量及優(yōu)化結(jié)果見表1所示。

由表1可知，在已有載荷條件下，限定安全系數(shù)大于或等于1.5，求解在10～35mm范圍內(nèi)圓管直徑的優(yōu)化值為30mm。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）在石油用井下工具設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)FOS分析來(lái)確定許用應(yīng)力與安全系數(shù)，可在一定程度上替代常規(guī)解析法和實(shí)驗(yàn)法對(duì)工具進(jìn)行強(qiáng)度校核。

（2）利用FOS進(jìn)行早期優(yōu)化的主要方向，是在確定許用應(yīng)力與安全系數(shù)后，對(duì)零件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).第四版.第一卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.1：1-113.

［2］汪愷.機(jī)械制造基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè).上冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］蘇春.關(guān)于安全系數(shù)法和可靠性設(shè)計(jì)的討論［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1997，01：35-38.

［4］韓綠霞，宋懷俊，張彩云，等.SolidWorks三維造型技術(shù)的應(yīng)用［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2005（04）.

［5］沈璽，方鵬，宋小青.淺談ANSYS與SolidWorks的數(shù)據(jù)交換［J］.裝備制造技術(shù)，2006（05）期.

［6］徐灝.安全系數(shù)與許用應(yīng)力.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

王宏宇（1988—），男，湖北荊州人，工程師，大學(xué)本科，2010年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)石油鉆井專業(yè)。中石化中原油田普光分公司采氣廠管理工程師，主要從事高含硫采氣工程與地面集輸工程研究。