基于Inventor的鉆桿夾持器虛擬設計及受力分析

劉文杰,段春梅,王 冰

(連云港黃海機械股份有限公司,江蘇連云港222062)

1 前言

水平定向鉆機作為一個新的行業,正在被廣泛用于石油,水電以及各種管道鋪設行業。由于在戶外作業,工作環境非常惡劣。夾持器是水平定向鉆機工作的一個重要部分,主要是承擔鉆桿上扣和卸扣功能,大型水平定向鉆機鉆桿拆卸扣扭矩能達到十幾萬牛米,因此夾持器的的設計強度將直接影響鉆機的工作可靠性能。本文研究的某型號鉆機夾持器整體建模、虛擬裝配及有限元分析。

2 虛擬設計流程

應用inventor進行虛擬設計,首先要明確設計任務,構思出產品的大致輪廓;接著設計方案,細化要求和零部件的具體尺寸,然后對零件進行建模,組裝各零部件,形成裝配體并檢驗;進而對整個部件進行有限元分析。

3 設計步驟

3.1 夾持器結構

該夾持器(圖1)是由1.加長座 2.嵌牙座 3.嵌牙4.夾持體座5.液壓油缸等零部件組成。其工作過程為:液壓系統供油,使左右液壓油缸伸出帶動夾持塊夾緊鉆桿。

3.2 實體建模及裝配

圖1 夾持器結構圖

實體建模過程就是選擇特征類型、定義特征屬性、安排特征建立次序,最后生成零件的過程。在inventor中建模時,先要分析實體的結構特征,然后確定特征建立的先后順序以及每個特征建立的方法,建立實體的過程要力求簡潔,參數尺寸盡可能少。同時要注意實體建模完成后盡量不要重新編輯特征,以免引起其他特征的變化。特征建模可以從草圖中直接畫出,也可以直接將CAD中的文件導入草圖,然后利用inventor中的特征命令進行編輯最后完成零件的編輯工作。同時inventor中還提供插件,可以對零件進行快速編輯,從而提高建模的速度。

各零部件設計好后,新建一個裝配模塊,以夾持體座為固定件,再依次導入其它已建好的零部件,對于尺寸無法確定的,可利用零件間的裝配關系組成新的零件。零件導入后,要使零件的位置準確無誤,并應建立相應的約束關系,在inventor中提供了配合,角度,相切,插入四種約束關系,并且各個配合關系共分了9個小類,可以根據需要靈活應用。裝配結束后必須進行干涉檢查和物理接觸檢查,查看各零部件間是否有干涉或重疊現象,如有問題及時對模型修改。

圖2 夾持器裝配模型圖

3.3 有限元分析

將裝配好的模型導入環境中選擇應力分析模塊,根據下述進行分析前的各個步驟:

(1)選擇材質:夾持體材質為Q235

(2)施加約束:夾持器底板為固定約束

(3)施加載荷 :夾持器主要是依靠液壓油缸的伸出通過嵌牙夾住鉆桿,此夾持器采用φ250mm缸徑,壓力20M Pa由公式 F=A·P(A表示面積,P表示壓力,)因此可計算出 F=981250N,將力 F施加于夾持上(圖3)。

圖3 約束載荷施加圖

(4)劃分網格

(5)計算求解

本結果是由應變(Strian)云圖和應力(Stress)云圖,共同求解而得出的結果。圖4結果顯示最大的等效應力出現在中間其值為Smax=50M Pa。

圖4 等效應力云圖

4 結論

通過從建模到裝配再到有限元分析,我們可以精準的了解各零部件在裝配時的干涉、裝配和受力問題,尤其對于受力較大的零部件,為延長其使用壽命,對于危險部位進行必要的工藝處理。通過對實例的分析,驗證了有限元方法的準確性,為夾持器結構設計提供了可靠的依據和分析方法。

[1] 成大先.機械設計手冊(第五版 第2卷)[M].北京:化學工業出版社,2008.

[2] 劉鴻文.材料力學(第4版)[M].北京:高等教育出版社,2004.