DG675型大鉤鉤身有限元強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉春友（海城市石油機(jī)械制造有限公司，遼寧　海城114218）

DG675型大鉤鉤身有限元強(qiáng)度分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

劉春友
（海城市石油機(jī)械制造有限公司，遼寧海城114218）

針對DG675型大鉤使用壽命短及損壞嚴(yán)重的問題，采用Solidworks12軟件對大鉤鉤身進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用ANSYS對其進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析。得到鉤身最大等效應(yīng)力、最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及第二主應(yīng)力，并分析得出主應(yīng)力的位置和危險(xiǎn)截面。將鉤身材料T217B改為ZG20Ni2Cr MoM，采用API8C和ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對最大鉤載條件下的強(qiáng)度進(jìn)行了分析和校驗(yàn)，分析結(jié)果完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

大鉤；有限元；優(yōu)化設(shè)計(jì)

DG675大鉤是9 000 m石油鉆機(jī)游吊系統(tǒng)最重要的部件之一（如圖1），在鉆井作業(yè)中的主要作用為起下鉆具、懸持鉆柱、下套管；卡鉆或遇阻時(shí)提拔鉆柱，在解卡破阻排除事故時(shí)，可能要承受2倍最大鉆柱質(zhì)量的靜載荷。傳統(tǒng)大鉤鉤身的應(yīng)力處理方法是將載荷在鉤體承載表面上均勻分布，并將載荷離散后施加［1］。此方法計(jì)算量大，且很難反映出大鉤鉤身真實(shí)的受力情況，而鉤身是大鉤承載的最重要的零件，鉤身的使用壽命、強(qiáng)度和可靠性直接決定鉆井作業(yè)的安全。在鉆井作業(yè)復(fù)雜工況、最大鉆柱重力和交變載荷的共同反復(fù)作用下，對鉤身的綜合力學(xué)性能、安全可靠性要求極高。

本文利用ANSYS有限元分析軟件，直接將最大鉤載加載到鉤身工作部位，對DG675型大鉤鉤身的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，真實(shí)反映出鉤身的應(yīng)力分布情況，為大鉤的可靠性提供了更為精準(zhǔn)的理論校核依據(jù)，并用ZG20Ni2Cr Mo-M鑄鋼件替換了原來的T-217B材料。材料的屈服強(qiáng)度由原來的655 MPa提高到690 MPa，提高了鉤身的綜合力學(xué)性能，更加有效地提高了大鉤的使用壽命和安全可靠性。

圖1　DG675型大鉤結(jié)構(gòu)

1　建立有限元模型

1.1模型簡化和有限元網(wǎng)格劃分

建立完整的鉤身幾何模型，對鉤身部分倒角和圓角在建模時(shí)作了簡化處理。分析計(jì)算使用的軟件為ANSYS WORKBENCH。根據(jù)API 8C標(biāo)準(zhǔn)［2］和ASME標(biāo)準(zhǔn)［3］的相關(guān)規(guī)定，對大鉤受力模型進(jìn)行簡化：假設(shè)施加在大鉤上的載荷恒定，不隨時(shí)間變化；假設(shè)大鉤鉤身的工況載荷、試驗(yàn)工況載荷分別為6750kN和13500kN。為了提高計(jì)算結(jié)果的精度，在有限元網(wǎng)格劃分時(shí)，采用軟件默認(rèn)的整體網(wǎng)格自由剖分，Relevance的值選最大值100［4］，這樣剖分的網(wǎng)格密度最高；經(jīng)過計(jì)算機(jī)網(wǎng)格剖分，鉤身的節(jié)點(diǎn)數(shù)37 059個，單元數(shù)21 678個。有限元模型如圖2所示。

圖2　大鉤鉤身有限元模型

1.2邊界條件的確定

由于大鉤鉤身是軸對稱結(jié)構(gòu)，建立的模型在對稱面上不能有位移［5］。在1／2鉤身——主鉤工作部位的對稱面上施加對稱約束，對鉤體圓筒施加垂直方向固定約束，即uy=0。載荷和約束的施加如圖3所示。

圖3　大鉤鉤身邊界條件和載荷

1.3大鉤鉤身材料的力學(xué)性能

大鉤鉤身材料采用ZG20Ni2Cr MoM的優(yōu)質(zhì)合金鑄鋼，其力學(xué)性能如表1。

表1　大鉤鉤身材料的力學(xué)性能

2　有限元結(jié)果分析

DG675型大鉤主鉤受到鉆具系統(tǒng)向下的載荷作用，根據(jù)ASMEⅧ第2冊AD篇校驗(yàn)部分的規(guī)定，應(yīng)分別校核大鉤在最大工作工況載荷6750kN和最大試驗(yàn)工況載荷13500kN條件下的強(qiáng)度是否滿足要求。經(jīng)有限元分析計(jì)算可知，主鉤載荷在6750k N和13500k N條件下分別對應(yīng)的應(yīng)力分布為：最大主應(yīng)力如圖4a、圖5a；Von Mises等效應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論相當(dāng)應(yīng)力）如圖4b、圖5b；最小主應(yīng)力如圖4c、圖5c；第二主應(yīng)力如圖4d、圖5d。

圖4　最大工作工況載荷6 750 k N應(yīng)力分布云圖

圖5　最大試驗(yàn)載荷13 500 k N下鉤身應(yīng)力云圖

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2～3所示。

表2　鉤身最大工作工況載荷（6 750 k N）應(yīng)力計(jì)算數(shù)據(jù)

表3　鉤身最大試驗(yàn)工況載荷（13 500 k N）應(yīng)力計(jì)算數(shù)據(jù)

由表2～3可知，最大應(yīng)力發(fā)生在鉤身主鉤的承載部位。主鉤載荷6750kN時(shí)應(yīng)力集中處Von Mises等效應(yīng)力為352.802 MPa；載荷13500kN時(shí)應(yīng)力集中處Von Mises等效應(yīng)力為705.604 MPa，均小于材料的極限強(qiáng)度795MPa，滿足材料強(qiáng)度要求。

3　結(jié)論

采用載荷直接加載在主鉤工作部位，并根據(jù)API8C標(biāo)準(zhǔn)和ASME標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求，建立了DG675大鉤鉤身承載模型，更精準(zhǔn)地模擬實(shí)際工況，并在最大試驗(yàn)工況載荷13500kN條件下對其進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算。分析結(jié)果表明，其最大應(yīng)力均小于極限強(qiáng)度795MPa，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。鉤身材料采用ZG20Ni2CrMoM優(yōu)質(zhì)鑄鋼件，材料的屈服強(qiáng)度提高到690MPa。通過本次設(shè)計(jì)優(yōu)化和材料改進(jìn)，提高了鉤身的安全性、可靠性、使用壽命，有效解決了大鉤在承受鉆具最大交變沖擊載荷時(shí)對鉤身損壞的問題。該方法可推廣用于DG450、DG315、DG320、DG225系列大鉤游吊系統(tǒng)。

［1］楊紅剛，蒲容春，駱宏騫，等.DG900型大鉤鉤體有限元強(qiáng)度分析［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（10）：43-46.

［2］API SPEC 8C，Specification for Drilling and Production Hoisting Equipment（PSL 1 and PSL2）［S］.2003.

［3］ASME，Boiler and Pressure Vessel Code（sectionⅧDi-vision 2）［S］.2001.

［4］祝效華，余志祥.ANSYS高級工程有限元分析范例精選［D］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［5］劉一杰.P-2000型高壓泥漿泵閥座有限元分析與工藝優(yōu)化［J］.石油礦場機(jī)械，2014，43（1）：34-37.

Finite Element Strength Analysis and Design Optimization of DG675 Hook Body

LIU Chunyou
（Haicheng Petroleum Machinery Manufacture Co．，Ltd．，Haicheng 114218，China）

To solve the problem of short service life and serious damage of DG675 Hook body，Solidworks 12 is used to optimize the design；ANSYSis used to analyze its strength，the values of maximum equivalent stress，maximum principal stress，minimum principal stress and second prin-cipal stress are obtained，and the location of primary stress and critical section are also worked out.The material T-217B of hook body is replaced with high quality ZG20Ni2Cr Mo-M，then the hook strength is analyzed and verified as per API spec.8C&ASME，and simulation results com-pletely meet the requirements of the standards.

hook；finite element；optimizing desig n

TE923

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.007

1001-3482（2015）12-0027-04

2015-06-30

劉春友（1971-），男，遼寧海城人，工程師，現(xiàn)從事石油機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作，Email：lnxclcy＠163.com。