鐵鉆工沖扣鉗殼體輕量化設計

裴峻峰，時專泰，宋傳智，劉志剛

（1.常州大學機械工程學院,江蘇 常州213016；2.常州市石油石化裝備技術重點實驗室,江蘇 常州213016；3.江蘇如石機械有限公司,江蘇 如東226406)

1 引言

鐵鉆工（Iron Roughneck）是石油鉆井自動化生產的井口機械化設備，是液壓混合動力大鉗的換代升級產品，它可以便捷地完成鉆具的沖卸扣和旋緊扣等動作。目前，國內鐵鉆工的研制開發工作正朝著性能優越的方向發展，所以針對國內石油鉆井市場的需求開發出適應性廣、穩定性高和性能優良的鐵鉆工有重要的意義。沖扣鉗是鐵鉆工直接用來對鉆桿等鉆具進行擰卸扣的裝置，通過夾緊缸液壓裝置直接作用將鉆桿夾緊，再通過扭矩缸的伸縮來控制上鉗相對下鉗的轉動，從而進行上卸扣，液壓直接驅動方式以其自動化程度高、結構緊湊安全性能好等優點得到普遍的應用。

針對鉆桿與沖扣鉗接觸分析，文獻［1］通過對單個鉗牙接觸鉆桿研究，得到最優圓弧型牙板齒高、牙型角；文獻［2］就有關拆裝牙板損傷，推導出牙板作業損傷對鉆具失效影響的評價參數，得到均勻排列拆裝架牙板的最優牙型角和牙高；針對鐵鉆工鉸接臂運動學和受力分析的基礎上，文獻［3］通過優化鉸接點位置，來提高鉸接臂的工作性能；針對沖扣鉗性能分析，文獻［4］通過對沖扣鉗的機構研究，改善了執行機構尺寸，減輕了機構的自重，降低了成本，達到優化設計的目的。隨著機械工業的發展，機械設備設計趨于緊湊化、輕量化趨勢發展。目前，輕量化設計主要從材料與結構兩方面考慮：（1）應用新型輕量化材料，例如高強度鋼、鋁合金或者鎂合金等高強度和低密度材料；（2）結構優化，在滿足強度和剛度的情況下，力求重量最輕。結構優化通常劃分為：拓撲優化、形狀優化和尺寸優化，分別對應于三個不同設計階段的產品，即概念設計、基本設計和詳細設計三個階段［5］。為滿足國內的油氣鉆井市場的需求和節能降耗的需要，論文對鐵鉆工沖扣鉗殼體進行尺寸優化設計，以達到輕量化的目的。

拓撲優化也稱結構布局優化，是在設計空間中尋找最佳的結構形式或最優的傳力路徑，提高材料的利用率，達到優化性能和減輕質量的效果。形貌優化既可改變結構的尺寸，也可改變結構的形狀，在滿足設計要求的前提下優化結構的邊界形狀，從而改善性能和減輕質量；尺寸優化設計是在給定結構的類型、材料、拓撲結構的情況下，優化結構截面尺寸，使結構質量最輕、體積最小。文獻［6］對客車車身結構基于彎曲載荷和扭轉載荷兩種載荷工況進行拓撲優化設計，再將關鍵部件的結構做簡化處理以降低產品復雜度，使車身質量較原先降低了244kg，質量為2231kg，藉由有限元分析指出，新車身的主要力學指標如彎曲剛度、扭轉剛度及各階模態特性都有提升。

當前，人工智能算法在工程領域的應用愈加廣泛，亦有學者采用神經網絡方法與優化系數矩陣相結合的方式對具體結構進行優化。考慮到ANSYS Workbench優化模塊集成了常用的智能算法，文獻［7］在ANSYS Workbench優化模塊平臺下對基座結構進行優化。由于基座優化參數與優化目標存在非線性映射關系，直接對其進行優化較困難，可基于ANSYS Workbench優化模塊，即首先抽取樣本點建立基座設計參數與優化目標的預測模型，而后針對各優化參數及取值范圍。由于筋、上板與下板幾何厚度值具有不確定性，因此采用隨機均布采樣的方式在各參數取樣范圍內選取樣本點，并以離散量矩陣的形式表征不同參數組合的基座樣本模型，以此作為基座優化預測模型的訓練樣本及測試樣本。經過優化后，基座結構最大等效應力雖有上升但仍在強度要求范圍內，而基座重量由初步設計的3353.1kg下降至優化后的1515.93kg，下降了54.8%，其實現了基座輕量化設計的目標。

考慮到目前沖扣鉗作為性能迭代較慢的石油機械結構又缺少與之相關的輕量化設計研究內容，論文將結合其他行業的輕量化設計思路，對沖扣鉗嘗試做出輕量化設計研究。

2 沖扣鉗結構

沖扣鉗殼體主要由上面板1、后豎版2、圓弧豎版3、耳板4、前貼板5、支撐板8、擋塊9、夾緊液壓缸11、前豎板12、牙板13等板件組成，如圖1所示。

圖1 沖扣鉗上鉗結構圖Fig.1 Clipper on the Clamp Structure Diagram

鐵鉆工沖扣鉗整體結構，如圖2所示。沖扣鉗既可以作為一種上卸扣工具單獨使用，也可以作為鐵鉆工的一個部件與旋扣鉗完成旋扣功能。在沖扣鉗裝置對鉆桿進行擰卸扣過程中，上下鉗同時夾緊鉆桿，通過扭矩缸作用，使上鉗相對下鉗轉動，達到對鉆桿的上卸扣。沖扣鉗可替代液壓動力大鉗和套管鉗實現上卸扣功能，并且自動化程度高。

圖2 鐵鉆工沖扣鉗結構示意圖Fig.2 Iron Roughneck’s Clipper Structure Diagram

3 沖扣鉗上鉗的有限元分析

3.1 沖扣鉗結構三維模型的建立

由于沖扣鉗上下鉗結構一樣且受力基本相同，故只需分析其中一個鉗體受力情況即可。采用三維實體建模軟件Solidworks對鐵鉆工沖扣鉗幾何模型，在建模過程中，避免倒角、圓角等局部特征，忽略焊接對仿真的影響，以為后續網格劃分、計算求解以及優化分析做好準備［8］。

3.2 網格劃分以及載荷的施加

在Design環境中導入三維模型，定義零件的材料屬性，主要零件材料屬性，如表1所示，對模型添加屬性，將沖扣鉗殼體之間的接觸定義為bonded接觸。對沖扣鉗在卸扣時的極限靜態工作狀態進行靜力學分析，耳板與扭矩缸接觸部位施加載荷，與牙板接觸處的夾緊缸部位采用固定約束。

表1 主要零件材料屬性Tab.1 Main Part Material Properties

對模型進行網格劃分，采用正六面體的網格類型，劃分后的網格，如圖3所示。當網格劃分好后，基于給定單元的體積與邊長的比值模型中的單元質量，ANSYS Workbench中mesh metric選項提供一個綜合的單元質量（element quality）度量標準，范圍為0～1，質量由壞到好［9］。經過對計算時間、精度與網格質量的綜合權衡，選取整體網格尺寸為10mm，最終確定網格數量為336311，節點數量為686811，平均質量為0.84。

圖3 沖扣鉗上鉗網格劃分圖Fig.3 Punch Clamp Main Pliers Mesh Diagram

3.3 靜態應力分析結果

由計算得出模型的應力分布情況，最大應力位置在夾緊液壓缸11與前貼板5接觸的部位，如圖4所示，按照有限元分析計算結果，最大應力為411.83 MPa，整體最大變形量為0.48 mm，同時也可以得到整體質量為558.8 Kg。

圖4 局部應力圖Fig.4 Partial Stress Figure

由于沖扣鉗殼體零件為塑性材料，故許用應力為：

式中：σs—材料屈服極限；ns—安全系數，論文中取的值為1.8。

為了確保沖扣鉗在外力作用下能夠安全的工作，滿足σmax≤［σ］即可。沖扣鉗殼體主要受力零件應力校核，如表2所示，零件強度要求滿足，且存在一定的優化空間。

表2 沖扣鉗主要受力零件應力校核Tab.2 Impact Forceps Main Stress Components Stress Check

耳板應力云圖，在耳板凸環處應力較集中，應力值較大，最大應力為370.72 MPa；如圖6上面板應力云圖，整體應力值比較小，最大應力為18.89MPa，許用安全系數較富裕。如圖6下面板應力云圖，最大應力集中在下面板與耳板接觸部位，最大應力值為328.8 MPa，故在實際焊接時應注意應力集中問題。圖7為中豎板應力云圖，最大應力值在與前貼板接觸的部位，最大應力值為77.93MPa。圖8為前豎板應力云圖，整體應力較小，最大應力值為47.14MPa，如圖5所示。

圖5 耳板應力云圖Fig.5 Ear Plate Stress Figure

圖6 上、下面板應力云圖Fig.6 Top Panel and Bottom Panel Stress Figure

圖7 中豎板應力云圖Fig.7 Vertical Plate Stress Cloud Figure

圖8 前豎板應力云圖Fig.8 Front Vertical Plate Stress Figure

4 優化設計

4.1 數學模型的建立

4.1.1 設計變量

在沖扣鉗優化設計中，沖扣鉗殼體為主要優化對象，當材料和其制造工藝等參數確定時，因為決定其重量的主要因素是其組成零部件的截面積，因此求解最優截面面積問題就是對沖扣鉗的輕量化問題進行求解。論文將沖扣鉗外殼板件的厚度作為輸入參數，分別為上面板、下面板、后豎版、前豎板以及耳板5個零件的厚度取為設計變量，求取最佳參數值。

參數的向量表達式為：P=［p1p2p3p4p5］T；各參數對應的尺寸單位mm，如表3所示。

表3 各參數對應尺寸Tab.3 Each Parameter Corresponds to the Size

4.1.2 目標函數

沖扣鉗輕量化的最終目標是在滿足沖扣鉗的性能要求的基礎上，使其橫截面積最小，從而使重量最輕，所以其數學表達式為：

4.1.3 約束條件

尺寸約束：根據沖扣鉗分析結果以及工作中涉及的各類參數，綜合受力與實際工作情況，將各個變量的取值范圍限定，如表4所示。

表4 各個變量的取值范圍（/mm）Tab.4 Range of Values for Each Variable

強度約束：沖扣鉗結構所承受的最大應力值必須小于許用應力值，即σmax≤[σ]。

剛度約束：在沖扣鉗沖卸扣時，作用力比較大，會引起沖扣鉗殼體的表型，因此產生變形位移量，其約束條件為：y≤［y］，取整體變形量小于1mm。

4.2 靈敏度分析

對沖扣鉗重要組成板件的厚度進行參數化建模，去除和關鍵分析目標關聯較小或者無關的零部件或特征，而對關鍵性能直接相關的零部件不做板厚改變，例如液壓擋塊等。靈敏度分析是分析設計參數的變化對分析目標的影響程度的一種方法，敏感度是結構影響變化的梯度［14］，函數方程可導，表達式，如式（3）所示。

在沖扣鉗殼體的關鍵性能為指標的結構方程中，靈敏度分析的是各關鍵參數uj對零部件的屬性參數xi變化的敏感影響程度，即求uj對xi的偏導數，如公式（4）所示。

分別針對沖扣鉗強度、剛度以及重量進行敏感度分析，對結構設計目標相應高或者低的零部件參數進行優化設計。

對于剛度特性，參數P5對整體變形敏感度最大，其余設計變量對其敏感度較小，且各參數都呈負相關；對于強度特性，參數P2的變化對整體最大應力值最大，其余設計變量對其敏感度較小，參數P5呈正相關，其余參數呈負相關；對于重量特性，參數P4對整體重量影響最大，參數P1和P2對重量敏感度相對較小，且呈正相關，如圖9所示。

圖9 參數靈敏度分析Fig.9 Parameter Sensitivity Analysis

4.3 優化結果

在ANSYS Workbench優化設計模塊中，設置好相應輸出參數后，設置20組設計點，并對其進行迭代求解，得到三個候選點，如圖10所示。選取重量最小的設計點與優化前的參數比較分析，如表5所示，在滿足強度與剛度的要求下，求得沖扣鉗重量減輕了11.2%。

圖10 最優參數組合Fig.10 Parameter Sensitivity Analysis

表5 優化前后參數對比Tab.5 Optimization of Parameters Before and After Comparison

參數P1和P2這對設計點擬合的重量、位移和應力響應曲面如圖11，可以直觀反應參數P1、P2對輸出參數重量、應力和位移的影響趨勢，可以看出隨著參數P1值的增加，變形位移量降低，應力值增加；隨著P2值的增加，變形位移值應力值都在降低。

圖11 P1、P2響應圖Fig.11 P1、P2Response Graph

參數P4和P5這對設計點擬合的重量、位移和應力響應曲面如圖12，反應了參數P4、P5對輸出參數重量、應力和位移的影響趨勢，可以看出隨著P4值的增加，變形位移量不變，應力值降低；隨著P5值的增加，變形位移量降低，應力不變。

圖12 P4、P5響應圖Fig.12 P4、P5 Response Graph

5 結論

論文運用參數化建模和尺寸優化方法，在不改變沖扣鉗殼體各零件之間的配合的前提下，運用Solidworks和ANSYS Workbench軟件，對沖扣鉗主要組成板件的厚度特征參數進行了輕量化設計。

通過輕量化設計得到如下結論：

（1）通過對影響沖扣鉗殼體重量、應力和位移的因素進行了敏感性分析，可以在給定域內尋找最優方案設計，從而可在較大程度上減少了設計周期與成本。

（2）通過分析比較和優化，前后沖扣鉗整體在滿足強度和剛度要求下，質量減少了11.2%，同時保證了沖扣鉗具有良好的力學性能，由此減少了材料成本，為鐵鉆工沖扣鉗的設計研制提供了理論依據。