整體移運用一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)的有限元優(yōu)化設(shè)計

何娟 肖揚

摘 要：采用有限元分析的手段，對石油鉆機平臺整體移運用一線兩軸車橋的結(jié)構(gòu)進行強度分析。依據(jù)分析結(jié)果，在保證設(shè)計安全裕度的前提下，對該結(jié)構(gòu)形式的一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，得到了符合使用要求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：整體移運;一線兩軸車橋;有限元分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

引言

石油鉆機平臺一般具有體積大、重量重等特點，需要利用整體移運裝置進行設(shè)備搬家，以節(jié)省拆卸、安裝時間和搬家車次，從而提高搬家效率，降低搬家成本[1-2]。一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)是石油鉆機平臺搬家整體移運裝置的主要承重部件，承擔(dān)著設(shè)備及其各部件的重量的同時，還承受了設(shè)備搬家移運過程中產(chǎn)生的各種力與力矩。因此一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的強度以及合理性直接影響著石油鉆機平臺移運過程中的安全性和可靠性。

整體移運裝置用一線兩軸車橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計個性化強、受力情況復(fù)雜，無法用經(jīng)驗公式推算其結(jié)構(gòu)強度，且其廠內(nèi)試驗的工況模擬較困難，試驗成本高，相應(yīng)生產(chǎn)周期也會延長。為保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和可靠性，采用有限元分析的手段對結(jié)構(gòu)進行強度分析，并依據(jù)分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，既能有效地提高產(chǎn)品可靠性，減短生產(chǎn)周期，又能降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高生產(chǎn)效益。

1 一線兩軸車橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1技術(shù)要求

研制的一線兩軸車橋主要使用在相對較平坦的沙漠和戈壁地區(qū)的石油鉆機平臺整體移運裝置上，作為移運和駐車過程中的主要承重部件。要求整體承重能力為251000 kg，最大移動速度為10 km/h，牽引狀態(tài)下最大加速度為0.3G。整體移運高度約有60m，因路面有一定起伏波動，移運過程中整體裝置會發(fā)生的前后、左右傾斜，因此不僅要保證一線兩軸車橋的承載能力、結(jié)構(gòu)強度，還應(yīng)考慮其穩(wěn)定性和通過性等要求。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)技術(shù)要求進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)左右輪距為1632 mm，前后輪跨距為3770 mm，離地間隙為746mm。一線兩軸車橋整體結(jié)構(gòu)主要包括主縱梁、聯(lián)接座、輪軸、車輪總成以及制動系統(tǒng)總成等。兩輪軸分別裝有一對車輪總成作為支撐，聯(lián)接座在主縱梁上，通過滑動軸承與主縱梁聯(lián)接。聯(lián)接座與主縱梁的連接結(jié)構(gòu)允許前后方向±8°的傾斜自由度，輪軸與主縱梁的連接結(jié)構(gòu)允許左右方向的擺動自由度，滿足了石油鉆機移運過程中傾斜擺動的工況需求。整體移運設(shè)備通過聯(lián)接座與一線兩軸車橋連接，再通過動力帶動設(shè)備移運，實現(xiàn)搬家功能。在三維建模軟件中建立三維實體模型，如圖1所示。一線兩軸車橋的主縱梁主要由結(jié)構(gòu)鋼Q355焊接而成，輪軸采用42CrMoA材料鍛造焊接加工而成，滑動軸承采用ZQAl9-4-4-2材料。

2 一線兩軸車橋的有限元分析

2.1有限元分析模型簡化

對一線兩軸車橋進行有限元分析前，需對其三維實體模型進行簡化處理。利用軟件將模型中對受力分析無影響的零部件、孔、倒角、焊縫等簡化處理，減少有限元分析計算量，制動系統(tǒng)總成和車輪總成統(tǒng)一簡化為輪軸兩端的剛性圓盤，模擬車輪接地，便于有限元計算的約束施加。

2.2定義材料屬性、劃分網(wǎng)格

根據(jù)設(shè)計對一線兩軸車橋材料屬性進行定義，考慮所使用的板材的厚度因素，材料具體參數(shù)[3]見表1。

劃分網(wǎng)格步驟是有限元計算中關(guān)鍵的一步，模型單元的性質(zhì)和單元節(jié)點的數(shù)目決定著有限元計算模型與實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的相似程度，即只有選擇了合理單元類型和劃分足夠數(shù)量的單元，才能獲得符合實際情況的分析結(jié)果。本設(shè)計主要關(guān)注主縱梁和輪軸結(jié)構(gòu)強度情況，綜合考慮有限元分析模型結(jié)構(gòu)以及分析計算的精度、可行性和可靠性，對主縱梁和輪軸選用高3維8節(jié)點的Hex Dominant結(jié)構(gòu)單元格，網(wǎng)格尺寸設(shè)定為12.5 mm，對支撐用的剛性圓盤選用3維4節(jié)點的Tetrahedrons結(jié)構(gòu)單元格，網(wǎng)格尺寸設(shè)定為150 mm，用掃略方式對整體模型進行網(wǎng)格劃分。一線兩軸車橋有限元模型如圖2所示，節(jié)點數(shù)為795008，單元數(shù)為2591456，網(wǎng)格劃分質(zhì)量良好。

2.3設(shè)置邊界條件

分析一線兩軸車橋的結(jié)構(gòu)強度，施加相對應(yīng)的載荷約束。一線兩軸車橋整體受牽引方向的加速度為0.3G，牽引力為500000 N，載重251000 kg，垂直方向的重力加速度為1G。

2.4結(jié)果分析

通過有限元計算，一線兩軸車橋和主縱梁連接座處的應(yīng)力和應(yīng)變云圖如圖3、圖4所示。經(jīng)分析得到一線兩軸車橋的最大應(yīng)力點在主縱梁與輪軸連接處，最大應(yīng)力值為280 MPa（如圖3（a）所示），安全系數(shù)為S1=345/280=1.23，該處為鍛造焊縫結(jié)構(gòu)。另主縱梁與聯(lián)接座聯(lián)接處是行駛過程中主要受力點，此處的應(yīng)力值為178MPa（如圖4（a）所示），安全系數(shù)S2=345/178=1.94。考慮有限元結(jié)構(gòu)強度分析計算時考慮的影響因素少于實際受力情況，為確保此處結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全性和可靠性，提高該處結(jié)構(gòu)的安全裕度，需對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計以增大此處的安全系數(shù)。

3 一線兩軸車橋的優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)上述有限元分析結(jié)果對一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，增加主縱梁上、下翼板厚度和寬度，左、右腹板厚度，增大聯(lián)接座處銷軸直徑，并對聯(lián)接座處做增加加強筋處理，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次進行有限元結(jié)構(gòu)強度分析。優(yōu)化后一線兩軸車橋和主縱梁連接座處的應(yīng)力、應(yīng)變云圖如圖5、圖6所示。

優(yōu)化后的一線兩軸車橋最大應(yīng)力點仍在主縱梁與輪軸連接處，此時最大應(yīng)力值為245 MPa（如圖5（a）所示），S1=345/245=1.4，主要關(guān)注點主縱梁聯(lián)接座處的應(yīng)力值為131MPa（如圖6（a）所示），安全系數(shù)為S2=345/131=2.63，比優(yōu)化前的安全系數(shù)明顯提高，此處受力情況得到改善，改進后應(yīng)變情況也良好。綜上所述，在保證安全裕度的前提下，經(jīng)過有限元分析計算，一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化。

目前本設(shè)計產(chǎn)品已經(jīng)在阿聯(lián)酋石油鉆機整體移運搬家中成功應(yīng)用，產(chǎn)品安全可靠。

4 總結(jié)

采用有限元分析的方法對石油鉆機平臺移運用一線兩軸車橋的結(jié)構(gòu)進行了強度計算，并在保證安全裕度的前提下，對一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，得到了符合實際使用要求的一線兩軸車橋結(jié)構(gòu)形式。本文提供的有限元分析方法適用于試驗成本高、試驗周期長、理論經(jīng)驗計算無法詳細體現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力和變形情況的設(shè)計場合，既為產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計生產(chǎn)提供了理論依據(jù)，又有效地縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)研發(fā)周期、降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。

參考文獻：

[1]李亞輝，侯文輝，劉志林等. 7000m快速移運拖掛鉆機設(shè)計[J] . 石油機械，2015，43（9）：37-41.

[2]張秀翰，洪云霞. 石油鉆機前開口井架整體運移裝置的設(shè)計[J] . 石油機械，2015，43（5）：40-43.

[3]機械設(shè)計手冊編委會. 機械設(shè)計手冊[新版]：第1卷. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.

作者簡介：

何娟（1988-），女，湖南湘電集團有限公司，工程師，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化。