基于有限元分析的抽油機焊縫優化

姜彤， 李秀娟， 王德威

（大慶油田有限責任公司裝備制造集團 抽油機分公司技術中心，黑龍江 大慶 163313）

0 引言

抽油機焊接結構件包括驢頭、游梁、連桿、橫梁、支架與底座。其中游梁結構基本采用埋弧自動焊方式，其余結構件由于結構或其他原因，均采用手工電弧焊。抽油機生產一般采用連續焊、等強度焊縫，增加了焊接工作量與工作強度。經調查研究發現，國外相關技術先進國家的抽油機結構件大量采用斷續焊的方法，可有效節省焊接材料、節約工時費用，降低抽油機的生產成本。

為滿足油田應用以及抽油機生產需要，基于API與國家標準，本文對抽油機主要結構件進行三維建模，通過有限元分析對焊縫設計的合理性進行驗證，在保證連接結構強度的前提下，預判結構強度，優化焊接方式與焊接參數，從而達到提高焊接質量，減耗增效的目的。

1 三維參數化焊接模型

本文利用三維軟件SolidWorks生成抽油機主要結構件焊縫分析三維模型，而后利用有限元分析軟件ANSYS Workbench中的mesh模塊簡化、劃分網格，更改模型快捷方便，能做到實時響應，大幅度提高分析效率。

圖1 SolidWorks焊接模塊

SolidWorks以Windows操作系統為運行平臺，是一套功能強大的三維CAD設計軟件。相比其他CAD設計軟件，SolidWorks具有高效、迅速的實體建模功能，并可以根據結構件特征插入/焊件/添加圓角焊縫形成參數化焊接模型，實時修改，便于輸入有限元軟件中分析。ANSYS作為一個較成熟的仿真平臺，其協同仿真環境平臺ANSYS Workbench集成了多個模塊，如MechanicalTransient structure等，使得分析和優化實現流程直觀便捷［1］。

SolidWorks焊接模塊如圖1，生成的參數化焊縫模型如圖2。

圖2 SolidWorks生成參數化焊縫模型

2 抽油機游梁焊縫優化分析

利用SolidWorks對抽油機游梁進行三維造型，生成裝配圖如圖3所示。

利用SolidWorks中的焊縫模塊生成圓角焊縫，并能生成實體焊腳模型與焊接符號，用于后續焊接分析和工程圖上，如圖4所示。

圖3 抽油機游梁裝配圖

圖4 SolidWorks生成原焊接模型

將不同的焊接方式在建模之初進行修改，在SolidWorks軟件中直接選擇焊接方式，如圖5所示。

圖5 SolidWorks修改焊接方式生成新模型

按照本方案，將建立好的三維焊接模型，先后輸入到ANSYS Workbench里，簡化模型網格劃分，建立了有限元分析模型，如圖6、圖7所示。

圖6 分析模型建立

圖7 劃分網格后模型

圖8 原游梁位移云圖曲線（變形量單位為mm）

圖9 原游梁整體應力值（單位為MPa）

圖10 優化后游梁位移云圖曲線（變形量單位為mm）

圖11 優化后游梁整體應力值（單位為MPa）

游梁結構優化前后模態值對比見表1。

結構穩定參數對比如表2。

由以上分析可知，原設計游梁前部支座各件安全系數過大，支座掛環等效應力變化范圍0～19.7 MPa，擋板等效應力變化范圍為1.6～34.6 MPa，平板等效應力變化范圍為1.3～71.0，千斤板等效應力變化范圍為 8.8～23.9 MPa，筋板Ⅱ等效應力變化范圍為11.0～44.1 MPa，筋板Ⅲ等效應力變化范圍為4.6～21.8 MPa，原設計都為連續焊，焊高為10 mm；游梁體4條縱焊縫原設計單面連續焊，焊高為10 mm，采用埋弧焊焊接，可采用等強度設計，單面連續焊，焊高為8 mm；尾部4筋板、中座部位筋板原設計連續焊，焊高為8 mm，可采用交錯斷續焊，焊高為5 mm；尾部裝平衡塊箱體，原來設計單面連續焊，焊高為5 mm，可以采用單面斷續焊，焊高為5 mm。

在改進連接結構強度的前提下，采用斷續焊和連續焊的對比方式，分析出斷續焊運用的最佳位置，焊接長度與間斷長度的最佳配比等焊接參數。預計可將原工作量降低近20%左右。通過仿真技術的運用，可以針對不同結構件選擇焊縫焊接方式，并對結構強度做出預判，提高焊接工作效率。

表1 游梁結構優化前后模態值對比

表2 結構穩定參數對比

3 結論

本文以國內油田用某型抽油機游梁為例，借助SolidWorks和ANSYS Workbench焊縫進行優化分析，節省焊材約4kg，有效提高生產效率，降低焊材消耗。通過焊接分析，了解到現行抽油機結構件焊接強度以及結構強度安全系數過大，下一步將進行參數化建模，完成結構整體優化。本方法可推廣至其他行業結構件焊接方式優化過程。通過優化分析，可節省焊接材料，縮短焊接工時，降低企業成本。

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［7］ 胡楠，孔美虹，文紹成，等.基于NX7.0軟件的萬向升降臺參數化建模與分析［J］.石油礦場機械，2012,41（2）：51-54.