水下多功能快速接頭彈性夾頭的有限元分析

王 偉，張艷春，肖易萍，肖德明

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

水下多功能快速接頭彈性夾頭的有限元分析

王 偉，張艷春，肖易萍，肖德明

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

彈性夾頭是水下多功能快速接頭的重要零件，其關系到水下油氣生產系統的可靠性。采用ANSYS W orkbench有限元分析軟件計算得出彈性夾頭在被推入和脫離芯軸過程中的應力、位移、反作用力狀態，證明了彈性夾頭的最大應力小于材料的屈服強度，并分析得出連接和斷開水下多功能快速接頭時需要提供的推力和拉力，為ROV的選型提供了依據。

水下油氣生產系統；快速接頭；彈性夾頭；有限元

水下多功能快速接頭是一種用來連接水下液壓管路的裝置，可以同時連接或斷開多條液壓管路，多用于海洋石油工程的水下油氣生產系統中，將其連接和斷開的操作由ROV（遠程操作機器人）完成。彈性夾頭是水下多功能快速接頭的重要零件，在連接和斷開的過程中彈性夾頭的受力情況較為復雜，分析其應力和變形狀態可以從理論上驗證其結構強度的可靠性。分析連接和斷開過程中需要ROV提供的推力和拉力，可以為ROV的選型提供必要的依據。然而，彈性夾頭的形狀相對復雜，使用傳統的力學計算方法很難得到精確解。

有限元法是隨著現代力學、計算數學和計算機技術的發展而發展起來的一種新穎而有效的數值計算方法，由于有限元法具有堅實的理論基礎和處理復雜工程問題的能力，且計算精度相對較高，所以在工程中得到廣泛的應用［1-2］。使用有限元法對水下多功能快速接頭的彈性夾頭進行分析是非常必要的。

1 水下多功能快速接頭結構介紹

水下多功能快速接頭分為固定端和移動端2個部分，移動端和固定端之間采用彈性夾頭和芯軸連接，彈性夾頭安裝在移動端，芯軸安裝在固定端，如圖1～2所示。

彈性夾頭上設有8個彈性卡爪，如圖3所示。在將水下多功能快速接頭的移動端和固定端連接和斷開的過程中，需要ROV提供一個推力或拉力，使彈性夾頭產生彈性變形，進而使彈性夾頭推入或脫離芯軸，以達到連接和斷開水下多功能快速接頭的目的。

圖1 水下多功能快速接頭

圖2 連接形式示意

圖3 彈性夾頭

2 分析方法的研究

2．1 有限元分析軟件的選擇

ANSYS軟件是融結構、熱、流體等于一體的大型通用有限元商用分析軟件，自20世紀70年代誕生以來，隨著計算機和有限元理論的發展，在各個領域得到廣泛的應用［3-4］。ANSYS公司推出了ANSYS經典版和ANSYSWorkbench版，ANSYS W orkbench在模型的處理、網格劃分、后處理功能等方面相比ANSYS經典版有較大的優勢。本文采用ANSYS W orkbench進行有限元分析。

2．2 模型的建立及處理

1） 三維模型的建立。

在進行有限元分析之前，首先應建立零件的三維模型。ANSYS W orkbench的Geometry模塊的建模功能相比ANSYS經典版已經有了顯著的提高，但是其只適合用于建立相對簡單的模型，處理復雜模型時其建模功能難以勝任。SOLIDWORK S軟件擁有強大的參數化設計能力，可以進行復雜實體造型［5］。因此本文選用SOLIDWORK S軟件建立彈性夾頭和芯軸的三維模型。

2） 三維模型的處理。

模型中一般包括一些對零件受力狀態影響微小的結構，如非重要的倒角、圓孔等，刪除這些結構可以減少節點數量，并提高網格質量［6-8］。

在三維有限元計算機模擬計算中，單元和節點的數量制約著求解的速度和精度，循環對稱方法能使有限元模型的單元和節點數目大幅下降，節約計算機內存占用量，縮短計算所需時間［9-10］。彈性夾頭上設有8個彈性卡爪，屬于圓周陣列結構，可以使用ANSYS W orkbench的循環對稱功能進行分析，因此只需使用1／8的模型即可。將完整的彈性夾頭和芯軸模型切割成原來的1／8，如圖4所示。

圖4 完整模型的1／8

2．3 設置材料屬性

預防措施：如在地質較軟處施工時應當先在表面鋪設一定厚度的碎石，碾壓密實后在鉆機底部墊入方木，增大鉆機與地面的接觸面積，以減少壓強避免位移現象。在地質極為惡劣的地區，應當采取換填的方式來增加土層的穩定性。并且在沖孔施工時注意觀察鋼絲繩的走向，如垂直方向有較大偏差時應采取一定的措施，直至走向垂直。

彈性夾頭和芯軸的材料均為是一種馬氏體不銹鋼，韌性較強、耐腐蝕。材料的參數如表1所示。

2．4 設置載荷步

表1 材料參數

本文的分析過程分為2個步驟。

1） 分析將彈性夾頭推入芯軸的過程，即連接工況。

2） 分析將彈性夾頭脫離芯軸的過程，即斷開工況。

為了得到精確的分析結果，將推入過程和脫離過程分別分為60個載荷步，在A nalysis settings對話框內將載荷步設置為60。

2．5 設置幾何非線性狀態

在線彈性力學分析中，假定位移與應變關系是線性的，且應變為小量，由此得到線性幾何方程［11］。然而彈性夾頭的卡爪有可能產生大變形，應考慮材料形狀發生改變而使剛度也發生變化，屬于幾何非線性問題。為了得到精確的分析結果，在A nalysis settings對話框內將大變形選項設置為on。

2．6 設置邊界條件

1） 設置循環對稱。

設置循環對稱首先要建立柱坐標系，如圖5所示，在1／8模型表面設置循環對稱區域。

圖5 對稱設置

2） 接觸對設置。

在推入和脫離的過程中，彈性夾頭和芯軸會產生接觸，由此而涉及到有限元中的接觸問題。接觸問題是一種高度非線性行為，為了得到準確的計算結果，設置合理的接觸參數非常重要［12-15］。本文中所分析的這種接觸問題屬于柔體與柔體的面與面的接觸，應使用目標面和接觸面來形成接觸對。如圖6所示，將彈性夾頭的面設置為接觸面，將芯軸的面設置為目標面，接觸形式設置為摩擦形式，摩擦因數為0．15。

圖6 接觸設置

3） 約束設置。

為了便于觀察彈性夾頭的變形情況，假設彈性夾頭固定不動，芯軸沿軸向與彈性夾頭做相對運動。如圖7所示，將面A設置為Fixed support型約束，該面的6個自由度全部被約束。將面B設置為Displacement型約束，該面延x軸方向移動自由度被放開，其余自由度被約束。

將面C設置為Displacement型約束，除延x軸方向移動的自由度被約束外，其余自由度被約束。分析彈性夾頭推入芯軸的過程時，將面C延x軸方向的移動分為60個載荷步，每一步移動1mm，整個過程面C延x軸正方向移動60mm，初始位置為圖7所示，終止位置為圖2所示。分析將彈性夾頭脫離芯軸的過程時，同樣將面C延x軸方向的移動分為60個載荷步，每一步移動1mm，整個過程面C 延x軸負方向移動60mm，初始位置為圖2所示，終止位置為圖7所示。2．7 網格劃分

圖7 約束設置

使用ANSYSWorkbench的model模塊中的sizing功能，將彈性夾頭和芯軸的網格尺寸設置為2mm。將彈性夾頭的網格劃分方式設置為sweep，使其生成6面體網格。生成的網格如圖8所示，生成的節點數和單元數分別為210 376個和118 829個。

圖8 網格

3 結果數據的分析

經過迭代后結果收斂，得出彈性夾頭推入和脫離芯軸過程的應力、變形、反作用力的計算結果。

3．1 推入過程的計算結果分析

圖9為推入過程中彈性夾頭最大應力的變化曲線，當位移量為54mm時彈性夾頭出現最大應力值142．46mPa，此時的應力云圖如圖10所示。彈性夾頭選用材料的屈服強度為1 080mPa，最大應力值遠小于材料的屈服強度。

圖9 推入過程中最大應力的變化曲線

圖10 應力云圖

圖11為推入過程中彈性夾頭最大變形的變化曲線，當位移量為54mm時彈性夾頭出現最大變形量1．971 9mm，此時的變形云圖如圖12所示。

圖11 推入過程中變形的變化曲線

圖12 變形云圖

圖13為推入過程中彈性夾頭面A的反作用力的變化曲線，該反作用力值與需要ROV提供的力相等，其中負值為推力，正值為拉力。當位移量為15mm時彈性夾頭面A出現最大反作用力值472．7 N。因此，在推入過程中ROV至少要提供472．7 N的推力。

圖13 推入過程中反作用力的變化曲線

3．2 脫離過程的計算結果分析

圖14為脫離過程中彈性夾頭最大應力變化曲線，當位移量為5mm時彈性夾頭出現最大應力值141．15mPa，此時的應力云圖如圖15所示，最大應力值遠小于材料的屈服強度。

圖14 脫離過程應力的變化曲線

圖15 應力云圖

圖16為脫離過程中彈性夾頭最大變形的變化曲線，當位移量為5mm時彈性夾頭出現最大變形量1．974mm，此時的變形云圖如圖17所示。

圖16 脫離過程中變形的變化曲線

圖17 變形云圖

圖18為脫離過程中彈性夾頭面A的反作用力的變化曲線，該反作用力值與需要ROV提供的力值相等，其中負值為推力，正值為拉力。當位移量為2mm時，彈性夾頭面A出現最大反作用力值575．12 N。因此，脫離過程中需要ROV至少要提供575．12 N的拉力。

圖18 脫離過程中反作用力的變化曲線

4 結論

1） 本文研究了水下多功能快速接頭彈性夾頭的有限元分析方法，具體分析了將彈性夾頭推入和脫離芯軸的2個過程，并詳細介紹了分析過程中建立模型、設置邊界條件、設置載荷步、劃分網格等方法。

2） 根據有限元分析結果，得到彈性夾頭在被推入和脫離芯軸過程中的應力、變形、反作用力的狀態。分析結果證明彈性夾頭在被推入和脫離芯軸過程中的最大應力值遠小于材料的屈服強度，不會發生塑性變形，其結構強度可靠。分析得出在連接和斷開水下多功能快速接頭時需要ROV提供的推力和拉力值。

3） 本文所研究的水下多功能快速接頭彈性夾頭的有限元分析方法，今后可以應用于彈性夾頭的優化設計中，其分析出需要ROV提供的推力和拉力值，可以為ROV選型提供必要的依據。

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Finite Element Analysis for Collet of Subseamulti-Function Quick Connector

WANGW ei，ZHANG Yanchun，XIAO Yiping，XIAO Deming
（O ffshore Oil Engineering Co．，Ltd．，Tianjin300452，China）

T he collet is an im portant part in subseamulti-function quick connector，w hich influences the reliability of subsea oil and gas production system．ANSYS W orkbench was used to analyze the stress，deformation and reaction force of the collet in the process of pushing into and out of the core shaft．The results show that themaxim umstress of the colletis less than thematerial yield strength，and also show the values of pushing and pulling forces in the process of connecting and disconnecting，the necessary basis for ROV selection can be provided．

subsea oil and gas production system；quick connector；collet；finite element

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．013

2014-11-26

中國海洋石油總公司科技項目（CNOOC-KJ 125 ZD Xm05GC00GC 2012-01）

王 偉（1983-），男，天津人，工程師，碩士，主要從事海洋石油裝備的機械設計、制造及其仿真研究，E-mail：wang wei18＠mail．cooec．com．cn。