大噸位復合加載試驗臺中載荷框架的有限元分析

李碧波，張積廣，趙文華，王 靖，堯建平

（中國飛機強度研究所 二十二室，西安 710065）

大噸位復合加載試驗臺中載荷框架的有限元分析

李碧波，張積廣，趙文華，王 靖，堯建平

（中國飛機強度研究所 二十二室，西安 710065）

以大噸位復合加載試驗臺載荷框架中活動加載頭為例，對其進行了有限元計算與分析，為載荷框架主要部件的設計提供了理論依據與方法，為大噸位復合加載試驗臺的研制奠定了基礎。

復合加載；載荷框架；活動加載頭

0　引言

大噸位復合加載試驗臺是全尺寸石油管材進行評價試驗所必備的大型設備，該試驗臺通過計算機控制自動協調加載，模擬油管、套管及接頭在井下可能承受的拉伸、壓縮、內壓、外壓、彎曲載荷，以及同時可能承受的溫度等環境因素影響，檢驗油管、套管及其連接的綜合強度是否滿足設計要求，為產品的評價及新產品研發提供依據。載荷框架作為該試驗臺中的載荷施加的主要部分，設計與制造過程對于研制的成功與否至關重要，為此，在設計過程中，通過CATIAV5R19建立實體模型，利用有限元軟件進行分析與計算，為載荷框架的設計提供理論依據。

1　工作原理

載荷框架的結構示意圖如圖1所示，主要由底座、固定加載頭、承力柱、載荷傳感器、作動筒及活動加載頭組成，工作過程是：通過作動筒的伸縮，推動活動加載頭前后移動，已實現給試樣（安裝在活動加載頭與固定加載頭之間）施加軸向拉壓載荷的目的，拉向載荷：2000t，壓向載荷：1400t。

圖1　載荷框架示意圖

2　材料體系

載荷框架中的需要分析部件主要有固定加載頭、活動加載頭，活動加載頭與固定加載頭為作用與反作用的關系，因此在有限元分析過程中僅對活動加載頭和承力柱進行，其材料特性如表1所示。

表1　材料特性

3　實體及有限元模型

在設計分析過程中，對于載荷框架的主要部件固定加載頭、活動加載頭、承力柱等利用CATIAV5R19建立實體模型，活動加載頭的實體模型如圖2所示，利用PATRAN2006建立有限元模型如圖3所示，其中六面體實體單元17996個，有限元節點共21046個。

圖2　活動加載頭實體模型

圖3　活動加載頭有限元模型

4　邊界條件

試樣受拉工況下，活動加載頭與試樣連接位置承受拉向載荷2000t，與承力柱連接位置承受壓向載荷2000t，在下表面施加位移約束，具體如圖4所示。

圖4　受拉工況下活動加載頭邊界條件

在試樣受壓工況下，則相反，活動加載頭與試樣連接位置承受壓向載荷1400t，與立柱連接位置承受壓向載荷1400t，在下表面施加位移約束，具體如圖5所示。

圖5　受壓工況下活動加載頭邊界條件

5　計算分析

利用MSC公司MD R2 Nastran 2006版對有限元模型在進行了計算，受壓與受壓工況下計算應力與位移云圖如圖6和圖7所示，可以看出，活動加載頭在受拉與受壓兩種工況下，結構的最大應力達到了74.2MPa，最大位置為上邊銷軸孔的邊緣處，低于材料的sσ=460MPa，安全系數。

圖6　受拉工況下活動加載頭應力與位移云圖

圖7　受壓工況下活動加載頭應力與位移云圖

6　結論

如上所述，對于載荷框架中的主要部件，建立實體模型，利用有限元進行計算與分析，活動加載頭的強度與剛度滿足設計需求，為載荷框架的設計提供理論依據，為復合加載試驗臺的成功研制奠定基礎。

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[3] 孫桓,陳作模.機械原理[M].5版.北京：高等教育出版社,1996.

The fi nite element analysis of load-framework in the combined loading test bed with large-tonnage

LI Bi-bo, ZHANG Ji-guang, ZHAO Wen-hua, WANG Jing, YAO Jian-ping

TH122

A

1009-0134(2016)07-0101-03

2016-04-19

李碧波（1984 -），男，工程師，碩士研究生，研究方向為非標機械設計（復合加載試驗臺）。