基于ANSYS的鉆機(jī)大鉤強(qiáng)度分析

史革盟

（寶雞文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，寶雞 721016）

基于ANSYS的鉆機(jī)大鉤強(qiáng)度分析

史革盟

（寶雞文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，寶雞 721016）

本文建立了大鉤鉤體的實(shí)體模型，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行了鉤體強(qiáng)度分析，相對真實(shí)地反映出鉤體的應(yīng)力和變形情況，得出鉤體最大應(yīng)力和最大應(yīng)變位置，為鉤體的理論設(shè)計(jì)及安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

鉆機(jī)大鉤 有限元 強(qiáng)度分析

鉆機(jī)大鉤是石油鉆機(jī)提升設(shè)備的一個(gè)主體結(jié)構(gòu)，在鉆井作業(yè)中主要作用是起下鉆具、懸持鉆柱、下套管、卡鉆或者遇阻時(shí)提拔鉆柱，排除井下事故。鉤體是大鉤最關(guān)鍵的承載件，在鉆井作業(yè)中承受著從空載到最大鉆柱質(zhì)量的反復(fù)作用力[1-2]。為了保證鉤體設(shè)計(jì)的合理性和使用安全性，對鉤體的力學(xué)性能研究是其設(shè)計(jì)的核心部分，常規(guī)理論計(jì)算過程中往往選擇一些典型面進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，這對整體的把握性有一定的欠缺。本文對大鉤鉤體采用有限元方法進(jìn)行計(jì)算，從而進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度及變形分析。

1 建立大鉤實(shí)體模型

1.1 大鉤實(shí)體模型

建立完整的大鉤幾何模型并導(dǎo)入ANSYS軟件中，在建模時(shí)忽略了鉤扣、鉤體上影響不大的鑄造圓角和實(shí)際制造等影響因素。通過簡化鉤體結(jié)構(gòu)可以降低劃分網(wǎng)格單元總數(shù)和難度，避免畸形單元的出現(xiàn)，縮短計(jì)算時(shí)間，但其結(jié)構(gòu)整體的靜力學(xué)是等效的[3-5]。

圖1 大鉤實(shí)體模型

1.2 鉤體材料的力學(xué)性能

大鉤鉤體采用ZG310-570材料，其力學(xué)性能見表1。

表1 鉤體材料的力學(xué)性能

2 單元網(wǎng)格劃分

對大鉤實(shí)體模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格剖分，對于可能存在應(yīng)力集中的地方進(jìn)行手工干涉加密網(wǎng)格，采用SOLID45四面體8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體線性單元，共劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)2321550個(gè)，單元數(shù)為1476106個(gè)，大鉤的計(jì)算模型網(wǎng)格劃分后如圖2所示。

圖2 大鉤有限元模型

3 應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度分析

大鉤鉤體主要依靠螺紋承載，分析時(shí)將約束簡化為在鉤體斷面進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向固定約束，按最大鉤載675噸（近似換算成6750kN）極限載荷進(jìn)行計(jì)算，即主鉤單獨(dú)承受向下的6750kN拉力、兩個(gè)副鉤不受力的情況進(jìn)行求解。

3.1 應(yīng)力分析

大鉤鉤體承受載荷時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)度和最大剪切應(yīng)力分析，如圖3、圖4所示。

圖3 鉤體應(yīng)力強(qiáng)度分析

圖4 最大剪切應(yīng)力分析

由圖可知，對大鉤進(jìn)行有限元模擬工況，鉤體承載時(shí)，最大應(yīng)力強(qiáng)度和最大剪切力都出現(xiàn)在鉤舌根處，最大應(yīng)力373.01MPa小于抗拉強(qiáng)度極限600MPa；最大剪切力186.5MPa大于材料屈服強(qiáng)度355MPa的一半，都滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

3.2 應(yīng)變分析

大鉤鉤體在承受載荷時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)變情況如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 鉤體載荷下變形圖

圖6 彈性應(yīng)變強(qiáng)度分析

圖7 剪切彈性應(yīng)變分析

由圖可知，鉤體變形最大處在鉤舌下面，最大變形量為1.6212mm，最小變形量為0mm，大于其伸長率16%。另外，鉤體最大彈性應(yīng)變和最大剪切彈性應(yīng)變都出現(xiàn)在鉤體舌根處，最大應(yīng)變值遠(yuǎn)小于其要求值，在安全可靠生產(chǎn)范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

建立了DG675型大鉤鉤體實(shí)體模型，將載荷直接加載到鉤舌工作處，對大鉤工作過程進(jìn)行有限元分析。分析結(jié)果表明，鉤體在載荷作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力滿足其強(qiáng)度要求，同時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變小于其安全值，相對真實(shí)地反映了鉤體的應(yīng)力和變形，為大鉤鉤體的設(shè)計(jì)提供了計(jì)算依據(jù)，也能為解決鉤體安全生產(chǎn)和可靠使用提供準(zhǔn)確的理論依據(jù)。

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Strength Analysis of the Rig Hook Based on ANSYS

SHI Gemeng
（Mechanical Engineering College of Baoji University of Arts and Sciences,Baoji 721016）

Established a solid model of the hook, Carried out the strength analysis by ANSYS finite element, reflected relatively the stress and deformation of the hook, Obtained the maximum stress and strain position, provide a theoretical basis for the hook design and safety production.

rig hook, finite element, strength analysis

寶雞市科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（14GYGG-3），寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目（ZK16109）。