基于Simulation設計洞察圖解進行轉盤支座的優化

石喜軍

摘 要：轉盤支座是帶壓作業裝置的關鍵承力件，它的強度直接影響了整體設備的安全性。在SolidWorks Simulation仿真分析的基礎上，用設計洞察圖解分析轉盤支座各部分承受載荷的有效情況，優化了設計方案，轉盤支座的重量減少了20.98%，最大應力減少了6.8%。

關鍵詞：帶壓作業裝置；轉盤支座；simulation；仿真分析；設計洞察圖解；優化

帶壓作業是在保持井筒內一定壓力，不壓井、不放壓的情況下進行起下管柱，實施增產措施的一種先進的井下作業技術，能夠減輕對產層的污染，最大限度地保護原始地層，改善作業環境，同時給油田中后期的穩產帶來較大的保障，其獨特的優勢已經得到業界的普遍認可[1-2]。轉盤支座是帶壓作業裝置中連接舉升油缸和液壓轉盤的部件，承受來自轉盤、游動卡瓦和管柱的重力或上頂力，是帶壓作業裝置的關鍵承力件，所以它的強度尤其重要，直接影響了整體設備的安全性。

1 優化原理及方法

在SolidWorks Simulation仿真分析的基礎上，設計洞察圖解可以在載荷和約束之間標繪一連續路徑，圖解半透明部分沒有實體部分那樣有效承受所應用的載荷，這些半透明區域為追求降低重量設計而可完全移除，而實體區域為了增加強度則可以適當加強。

2 轉盤支座安裝示意圖

轉盤支座與舉升油缸和液壓轉盤連接示意圖如下：

轉盤支座底板四個錐孔與四個舉升油缸的活塞桿連接，轉盤放在頂板上，用螺栓連接。轉盤上部裝有游動卡瓦，而卡瓦夾緊管柱，承受管柱重量，最終作用在轉盤支座上。

3 仿真分析及優化

3.1 對初始方案進行仿真分析

此處假設管柱及轉盤卡瓦等總重100T，將轉盤支座初始方案輸入SolidWorks Simulation，建立有限元模型，施加載荷100T，運行仿真分析，得出以下結果：

轉盤支座初始方案的重量為791.845kg，可以看出最大應力為200.2Mpa，安全系數為610/200.2=3.05>3，符合標準要求[3]。

3.2 根據設計洞察圖解進行改進

定義設計洞察圖解，壓縮體積設定為20%，可以看出載荷主要作用在底板錐孔處和筋板上，應對這些區域進行加強；而頂板和底板部分區域為半透明，這些區域相對于藍色區域承受的載荷較小，將其移除后，對整體強度的影響不會很大。

將八個長筋板厚度增加5mm，底板半透明區域根據情況移除一部分，因頂板和底板錐孔處涉及轉盤和油缸的安裝，不便更改，暫時不做優化。

3.3 對改進方案進行仿真分析

對改進方案進行仿真分析，得出以下結果：

轉盤支座改進方案重量為625.724kg，可以看出最大應力為186.6MPa，安全系數為610/186.6=3.27>3。相對于初始方案，重量減少了20.98%，最大應力減少了6.8%。

4 結語

本文在SolidWorks Simulation仿真分析的基礎上，用設計洞察圖解對模型有效受力情況進行了分析，改進了轉盤支座的結構，在滿足標準要求的最小設計安全系數的基礎上，轉盤支座的重量減少了20.98%，最大應力減少了6.8%。同理，這種方法也可以應用在帶壓作業裝置其他部件的優化設計上。由此可見，基于SolidWorks Simulation設計洞察圖解的優化設計可以有效地降低生產成本，提高產品的安全性，對帶壓作業這一新技術的推廣應用具有重要意義。

需要注意的是，轉盤支座在實際工作中有受下壓力、受上頂力、受下壓力及扭矩、受上頂力及扭矩四種工況，優化設計時應對每種工況進行分析，只能對四種工況設計洞察圖解共有的半透明區域進行減重，本文受于篇幅所限不做過多贅述。

參考文獻：

[1]樊獎平，張高峰，王學佳等.帶壓作業裝置現狀與發展[J].石油礦場機械，2008，37（12）：11-15.

[2]王煒.不壓井作業裝置技術現狀與應用分析[J].石油機械，2014，42（10）：86-89.

[3]SY/T6731-2014，石油天然氣工業油氣田用帶壓作業機[S].