一種不壓井修井機(jī)底座的參數(shù)化設(shè)計(jì)和有限元分析

摘要：不壓井修井作業(yè)是一種產(chǎn)能效率高且對(duì)環(huán)境影響小的油氣田作業(yè)方式，底座是不壓井修井機(jī)的結(jié)構(gòu)承載載體，其強(qiáng)度質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備和系統(tǒng)的安全。文章選用三維建模軟件對(duì)底座進(jìn)行參數(shù)化建模，在有限元分析軟件中對(duì)加載后的模型進(jìn)行有限元求解，求解得到的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果對(duì)底座的設(shè)計(jì)和制作具有理論參考意義。

關(guān)鍵詞：不壓井修井機(jī)；底座；參數(shù)化設(shè)計(jì)；有限元分析；結(jié)構(gòu)承載載體 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TE935 文章編號(hào)：1009-2374（2017）03-0156-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.070

不壓井作業(yè)能降低對(duì)產(chǎn)層的污染，最大程度地保護(hù)和維持原始地層，并極大地提高產(chǎn)能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于修井作業(yè)中。不壓井修井機(jī)的應(yīng)用有利于油氣田的穩(wěn)定生產(chǎn)和長期開發(fā)。底座作為不壓井修井機(jī)的結(jié)構(gòu)承載基礎(chǔ)，用于支撐整個(gè)設(shè)備。底座的強(qiáng)度質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的整體質(zhì)量和安全，也影響油氣田開發(fā)的效益，故安全、經(jīng)濟(jì)、合理的底座設(shè)計(jì)方法顯得特別重要。本文通過三維建模軟件對(duì)底座進(jìn)行參數(shù)化建模，在有限元分析軟件中模擬底座受載情況并進(jìn)行有限元分析，求解得到應(yīng)力和變形的結(jié)果，對(duì)底座的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供一定的思路和依據(jù)。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)一直是機(jī)械行業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所追求的目標(biāo)，它可以極大地提高機(jī)械設(shè)計(jì)效率。參數(shù)化設(shè)計(jì)方法因其直觀性、實(shí)用性、高效性等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在各類機(jī)械行業(yè)中。

綜合考慮油氣田井場現(xiàn)場布置要求和不壓井修井機(jī)性能參數(shù)等因數(shù)，確定出底座的結(jié)構(gòu)形式和基本外形尺寸。采用基于尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，通過建模軟件里的“3D草圖”功能繪制出底座的框架，框架參數(shù)化的“3D草圖”如圖1所示。框架“3D草圖”中的每一個(gè)尺寸線可以看成是一個(gè)參數(shù)，尺寸線上的數(shù)字就相當(dāng)于是參數(shù)名，尺寸線的方向代表了幾何數(shù)據(jù)實(shí)體和參數(shù)間的關(guān)系。當(dāng)?shù)鬃目蚣芙Y(jié)構(gòu)外形尺寸需要更改時(shí)，可調(diào)整對(duì)應(yīng)的框架“3D草圖”中的參數(shù)化尺寸，根據(jù)參數(shù)值對(duì)不壓井修井機(jī)底座框架實(shí)體尺寸進(jìn)行編輯修改后，框架結(jié)構(gòu)外形尺寸便會(huì)隨之得到相應(yīng)的更新。

2 建立模型

確定框架所有尺寸后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求從建模軟件結(jié)構(gòu)件庫里選定制作底座相應(yīng)的型材，并對(duì)底座中非結(jié)構(gòu)承載部件（如梯子、護(hù)欄等）和零件加工工藝結(jié)構(gòu)（如倒角、工藝槽、安裝螺栓孔等）做簡化處理，得到底座三維模型，如圖2所示。轉(zhuǎn)換建模軟件中底座的三維模型格式，導(dǎo)入到有限元分析軟件后，再對(duì)生成的模型進(jìn)行修整（如設(shè)置各連接處的接觸、約束等），更新后的新模型如圖3所示。

3 計(jì)算前處理

結(jié)合設(shè)計(jì)要求的材料，在有限元分析軟件中設(shè)置和賦予相對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)、材料性能和材料屬性值（如材料的密度、泊松比、楊氏模量和屈服強(qiáng)度等），并對(duì)模型設(shè)置相應(yīng)的分析單元和接觸單元。由于在計(jì)算前處理時(shí)，主要根據(jù)計(jì)算的精度和計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度來確定單元的大小，雖然單元越小（網(wǎng)格劃分得越細(xì)），有限元分析計(jì)算的結(jié)果精度就越高，但相應(yīng)的計(jì)算機(jī)運(yùn)算的時(shí)間也就越久。在保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時(shí)提高計(jì)算分析效率，根據(jù)結(jié)構(gòu)件大小的不同，設(shè)置不同大小的網(wǎng)格劃分單元，并對(duì)在應(yīng)力集中的部位（如底座上部斜撐桿與上橫梁的連接處）將網(wǎng)格劃分得細(xì)一些，網(wǎng)格劃分后模型的結(jié)點(diǎn)（nodes）數(shù)為674004個(gè)，單元（elements）數(shù)為343318個(gè)，如圖4所示。根據(jù)底座工況條件，添加相應(yīng)的約束，將底座底面固定，在底座上的支座處添加相應(yīng)工況大小的載荷。

4 輸出結(jié)果

前處理完畢后，設(shè)置需要查看的求解結(jié)果（如應(yīng)力值、應(yīng)變值等）。通過有限元分析軟件自帶的求解器求解，得到底座的應(yīng)力云圖如圖5所示，底座的應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示。

由應(yīng)力云圖可明顯看出，最大應(yīng)力為145.54MPa，完全滿足安全條件要求。底座上部斜撐桿與上橫梁的連接部位應(yīng)力最大，上下底座的斜撐桿處應(yīng)力相對(duì)較大。由應(yīng)變?cè)茍D可明顯看出，最大應(yīng)變1.94mm發(fā)生在上底座的支座處，上底座的中部橫梁的變形也相對(duì)較大，該結(jié)果與實(shí)際情況很吻合。為了避免底座應(yīng)力過大或出現(xiàn)大變形的危險(xiǎn)現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)和制作底座時(shí)，需結(jié)合有限元分析結(jié)果，重點(diǎn)關(guān)注上下底座的斜撐桿、上底座的支座和上底座的橫梁，且對(duì)底座的選型材料和焊接質(zhì)量也應(yīng)重點(diǎn)考慮。

5 結(jié)語

底座作為不壓井修井機(jī)重要的金屬鋼結(jié)構(gòu)承載載體，設(shè)備在作業(yè)過程中，底座的強(qiáng)度必須滿足各類安全要求。在設(shè)計(jì)底座時(shí)，需根據(jù)相關(guān)工況條件重點(diǎn)考慮較大應(yīng)力和較大應(yīng)變的區(qū)域，本文通過對(duì)不壓井修井機(jī)底座進(jìn)行參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)有限元分析，可獲得靠譜的底座應(yīng)力和變形等方面的信息，并為指導(dǎo)底座的安全設(shè)計(jì)和制作提供理論參考依據(jù)。

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作者簡介：吳作為（1989-），男，供職于中石化石油工程機(jī)械有限公司第四機(jī)械廠，碩士，研究方向：石油機(jī)械設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）