CAE技术在防喷器结构设计中的应用

2011年第40卷第7期第60页

文章编号:1001-3482(2011) 07-0060-04

石油矿场机械

OIL FIELD EQUIPMENT

2011, 40(7) :60~63

CAE 技术在防喷器结构设计中的应用

姚胥源, 武刚峰

(上海神开石油设备有限公司, 上海201114)

摘要:针对防喷器设计现状, 结合实例介绍了CAE 技术在防喷器结构设计中的应用; 应用ANSYS 软件对U 型防喷器壳体、中间法兰等零部件进行了有限元计算; 用应力分类理论对计算结果进行分析, 提出了一种防喷器设计的新方法。关键词:CAE; 防喷器; 有限元

中图分类号:T E931. 102 文献标识码:A

Application of C AE in Structural Design of BOP

YAO Xu -yuan, WU Gang -feng

(Shanghai S henkai Petr oleum Eq uip ment Comp any L td. , S hanghai 201114, China)

Abstract:According to the actuality of BOP desig n, introduce the application of CAE in structural

design of BOP w ith som e examples. Introduce an analyses process by doing FEA calculate to the U -style BOP s body and intermediate flange w ith ANSYS. The calculate results w ith stress clas -sify theor y w as analy zed; a new method of BOP design w as br oug ht fo rw ar d. Key words:CAE; BOP; FEA

以ANSYS 为代表的CAE 有限元分析软件, 将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合, 能够对特定的产品进行性能分析、预测和优化, 也可以对通用产品进行物理、力学性能分析及模拟、预测、评价和优化, 以实现产品的技术创新。应用ANSYS 软件可以构造复杂模型, 并将模型置于各种复杂环境下进行分析, 有效评估设计的合理性, 使设计达到最优化, 并能进行虚拟运行模拟, 及早发现设计缺陷, 提高设计质量, 缩短研究开发周期, 降低成本。

早期采用的强度计算方法为传统的力学分析法, 该方法将闸板防喷器的壳体结构简化为悬臂梁模型来计算, 这种方法在防喷器设计中应用非常广泛, 而且计算结果已经得到了试验验证。其优点是只需将相关参数带入公式就可以得到计算结果, 简单可靠; 缺点是悬臂梁模型与实际结构相差较大, 需要比较大的安全系数才能保证结构的安全性, 导致设计出来的产品较笨重。

应用ANSYS 软件对防喷器壳体等承压部件进行受力模拟可以得到比较符合实际的应力状态, 判断部件是否满足强度要求。该方法的最大好处是只要建立起符合实际的力学模型, 就可以得到较精确的计算结果, 设计出比较经济、可靠的产品。

1 用C AE 技术设计防喷器结构的必要性

防喷器在试油、修井、完井等作业中用于关闭井

口, 防止井喷事故发生, 是油田常用的防止井喷的安全密封井口装置。防喷器在使用过程中需承受来自井内较高的井液压力, 强度试验时承受的压力更高。因此, 有必要对其主要承压零部件进行强度计算, 保证其强度安全可靠。

2 CAE 技术在闸板防喷器设计中的应用

壳体、中间法兰和大液缸是U 型闸板防喷器的主要承压件, 在强度试验中承受了很大载荷, 因此在

*

收稿日期:2010-12-06 作者简介:姚胥源(1957-) , 男, 浙江宁波人, 1987年毕业于上海交通大学机械设计制造专业, 目前从事井控产品的技术研

第40卷 第7期 姚胥源, 等:CA E 技术在防喷器结构设计中的应用 61

设计中都必须要进行有限元计算, 并用传统成熟的力学计算方法进行验证。壳体、中间法兰和大液缸材料选用25CrNiM o 锻造而成, 弹性模量E =2. 06 105M Pa, 泊松比 =0. 3, 其力学性能如表1。

表1 25CrNiMo 钢力学性能

屈服极限 s /M Pa 585

抗拉极限 b /M Pa 735

延伸率 5/

% 18

断面收缩率 /% 35

2. 1. 3 约束及载荷施加

在各对称面施加对称约束, 在承压面施加面载荷, 载荷方向垂直表面向内。各个约束及载荷施加完毕后进行计算。

2. 1. 4 结果及分析

计算完成后进入后处理模块读取计算结果。U 型闸板防喷器壳体V on Mesis 应力分布云图与位移变形云图如图3~4。

2. 1 壳体

2. 1. 1 实体建模

建模时利用壳体结构的对称性, 取其对称面的一部分进行计算, 可以大幅度提高计算效率, 并且对计算结果没有影响。

考虑到ANSYS 软件在建立实体模型时的操作较复杂, 笔者先用Pro /E 软件建模, 简化一些对计算结果无影响的细节结构, 再将建立好的模型导入ANSYS 计算环境。在导入模型的过程中要注意单位制的一致。图1为导入AN SYS 环境的1/8实体

结构模型。

图3 壳体V on M esis 应力云图

图1 1/8壳体实体模型

2. 1. 2 网格划分

采用Solid45单元来划分网格, 并采用自由划分的模式。根据模型的结构特点自动划分网格的疏密程度, 得到的网格模型如图2

。

分析应力是否符合强度要求需要有相应的判断准则。根据API

[1]

图4 壳体位移变形云图

、ASME

[2]

及相关文献资料

[3-4]

,

结合现有的设计验证经验, 采用一次应力和二次应力进行分析判断。

1) 一次应力 由于外加载荷的作用, 在容器中产生的正应力和剪应力都属一次应力。一次应力应满足与外载荷相平衡的力学条件, 其基本特点是具有 非自限性 。一次应力可分为: 总体一次薄

2 m

62 石油矿场机械 2011年7月

度内的平均值; 一次弯曲应力 b , 例如受压力作用在板盖中央产生的弯曲应力, 沿壁厚成线性分布; 局部薄膜应力 1, 由于内压或其他机械载荷包括总体结构不连续引起的薄膜应力。

2) 二次应力 由于结构自身的约束或相邻部件的约束作用产生的正应力或剪应力为二次应

力。二次应力必须满足变形协调条件, 其基本特点是具有 自限性 。例如, 总体结构不连续处的弯曲应力、厚壁圆筒在内压作用下的应力梯度等都属于二次应力。

推荐用API 规范产品设计应力强度限制准则如表2。

M P a

表2 推荐用API 规范产品设计应力强度限制准则

工作状态

应力分类

(D g

总体一次薄膜应力局部薄膜应力+一次弯曲应力一次应力+二次应力

注:D g 为主通径, mm; p g 为额定工作压力, M Pa; s 为材料屈服强度, M Pa 。

m 0. 42 s

m 0. 56 s

m 0. 83 s

m + b 1. 35 s ( m 2/3 s 时)

l + b s

静压试验状态

m + b 2. 15 s -1. 2 m (2/3 s

l + b + 2 s

通过以上分析可知, 图3所示最大应力处为结构的不连续处, 为一次应力和二次应力的叠加。由图3可知, 叠加应力值为457. 2MPa 。根据表2, 强度限制准则为 l + b + 2 s , 而2 s =1170M Pa, 因此该处的最大应力符合强度要求。2. 2 中间法兰

中间法兰的材料与壳体相同, 也采用锻造成型, 计算后的中间法兰Vo n M esis 应力分布云图如图5

。

通过增大圆角可以消除应力集中, 改善应力状况。将该处的圆角适当增大后, 得到的应力分布云图如图6。可以看出, 增大圆角后的最大应力处受力状况明显得到改善, 应力值降低至393. 7M Pa, 符合强度要求。

图6 增大圆角后的中间法兰Vo n M esis 应力云图

3 结语

对于U 型闸板防喷器的壳体、中间法兰等承压

图5 中间法兰V on M esis 应力云图

部件以及环形防喷器壳体、顶盖的计算分析已经得到了实际的检验, 为防喷器的强度设计提供了有力的理论保障。

CAE 技术虽然可以在防喷器的设计中起到重, 由图5看出最大应力为424. 8MPa, 从受力状态判断, 该处应力性质与壳体最大应力处不同, 为压

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2011年第40卷第7期第63页

文章编号:1001-3482(2011) 07-0063-03

石油矿场机械

OIL FIELD EQUIPMENT

2011, 40(7) :63~65

1103kW 交流变频直升机吊装单轴绞车设计

张晓杰

(兰州兰石国民油井石油工程有限公司, 兰州730050)

摘要:介绍了1103kW(1500hp) 交流变频直升机吊装单轴绞车的设计思路、结构特点和主要技术参数。从绞车输入功率的配置出发, 分析了提升能力和提升速度、传动结构形式模块化设计如何适应直升机吊装特点、绞车总装调试时遇到的问题等, 并提出了应采取的措施。关键词:交流变频; 直升机吊装; 单轴绞车; 模块化设; 主电机自动送钻中图分类号:T E923. 02 文献标识码:A

Design of Hel-i lifting Variable -frequency AC Single -shaft 1103kW Drawworks

ZH ANG Xiao -jie

(L anz hou L S -N ational O il well P etr oleum Engineer ing Co. , L td. , L anz hou 730050, China)

Abstract:The desig n ideas and str ucture featur es of the helico pter lifting Variable -frequency AC single -shaft 1103kW draww o rks is introduced, the m ain technical par am eters o f the draw w or ks is set forth. It focuses on the analy sis of lifting capacity and lifting speed acco rding to draw w ork input pow er configuration, and analysis how to fit for these hel-i lifting features on the basis of modular desig n of tr ansm issio non structure, in additio n, pr ovides actions how to deal with the pro blems dur ing the draw w orks com missioning.

Key words:variable -frequency AC; helicopter lifting; sing le -shaft draw w o rks; building blo ck de -sign; auto bit feeding system

随着全球经济持续、高速地发展, 石油需求与日俱增, 世界各国均加大了石油勘测与开采的力度, 适些结果都是建立在对实际状态精确模拟的基础上, 结构简化、约束与载荷施加都会对最终结果产生很大影响。因此, 必须在实践中不断积累设计经验, 对建立的模型及模型受力状态进行合理修正, 以得到更接近实际状态的结果。

参考文献:

[1] A P I 16A. Specificatio n fo r D ril-l thro ugh Equipment

应特定环境下使用的石油钻采设备也随之得到发展。兰州兰石国民油井石油工程有限公司继国内首

[S]. 3版. 2004.

[2] A SM E. Bo ile r and P ressure V essel co de(Sect ion .

Division 2) [S]. SI 版. 2001.

[3] 张永泽, 梁 政, 蒋发光, 等. 复杂结构有限元分析强度

判定方法[J].石油矿场机械, 2009, 38(5) :5-8. [4] 任克忍, 卢韵皎, 张永泽, 等. 双闸板防喷器主壳体的

有限元强度分析[J]. 石油矿场机械, 2005, 34(1) :50-53.

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收稿日期:2011-01-24 作者简介:张晓杰(1970-) , 女, 陕西西安人, 工程师, 1992年毕业于甘肃工业大学机械设计专业, 主要从事钻机绞车的

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