基于ANSYS的防砂完井專用吊卡有限元分析及結構優化

劉言理（大港油田公司石油工程研究院， 天津 300280）

基于ANSYS的防砂完井專用吊卡有限元分析及結構優化

劉言理（大港油田公司石油工程研究院， 天津 300280）

為提高防砂完井過程中下沖管的施工效率及成功率，對防砂完井專用吊卡進行了結構力學分析，用三維軟件solidworks繪制了防砂完井下沖管專用吊卡的幾何模型，并將關鍵部件的幾何模型導入到ANSYS里的static structural模塊中進行了有限元分析仿真，最終得到了專用吊卡的靜力學強度、形變狀態的分析結果，并獲得了應力云圖及相關數據。據此提出了對吊卡結構進行了優化的方案，使其更加穩定可靠，符合施工要求。

ANSYS；防砂完井；吊卡；結構優化

在防砂完井過程中，通常要在防砂完井管柱中下入小直徑的沖管，沖管在下入過程中需要用兩只專用吊卡進行交換使用，以實現沖管的持續下入。在長達幾百米的油層段中，通常要下入配套的沖管長達幾百米。因此在反復使用的過程中，要充分保證吊卡的強度和安全性能。文章從有限元分析的角度對吊卡工作過程中的受力情況進行了分析，并對吊卡進行了優化設計。

1 幾何模型與網格劃分

首先建立裝配體幾何模型，采用solidworks建立三維模型。對吊卡本體四周進行了倒角處理，對手柄進行了滾花設計，以增加摩擦力，方便拆裝。

專用吊卡在施工過程中，主要起作用的部分是承載沖管重量的本體部分，這部分也是施工過程中容易出問題的部分，因此這里主要對本體部分進行網格劃分，進行有限元分析。網格劃分如圖1所示。

網格劃分在有限元分析中極為重要，高質量的網格是實現有限元計算的必要前提。這里采用Automatic Method方法，網格最小邊長1.5mm，節點數4086個，網格單元數2187。網格質量評估結果如表1所示。

表1 網格質量評估

從網格評估結果看，網格質量較為優良，能夠滿足計算機進行計算的需要。

2 吊卡強度有限元分析

有限元模型是根據吊卡的實際形狀和實際的載荷條件建立有限元分析的計算模型，從而為數值計算提供相應的數據。這里先利用solidworks軟件建立吊卡三維模型，然后導入到ANSYS 軟件中，并運用軟件自帶的DesignModeler模塊對幾何體進行修整。

利用Engineering data功能進行吊卡本體材料的編輯，吊卡材料選用結構鋼，密度為7850kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量2×1011Pa，抗拉強度250MPa。

在Static Structural模塊中添加約束并施加載荷，按照吊卡的工作狀態將吊卡的下平面設置為固定平面，在承壓環的表面施加載荷30kN。在Solution下求選擇解等效應變、等效應力、總變形最大剪應變等參數。運行Slove求解得到各參數云圖如圖3-圖5所示。

等效應力分布圖2表明專用吊卡的最大應力發生在吊卡承壓環彎曲的地方，最大應力為4.8121×106Pa，屬于典型的應力集中現象，專用吊卡的其它大部分應力基本在2.2×106Pa以下，吊卡的靜載荷強度足夠，但為了更好地能夠滿足現場生產需要，有必要對承壓環的結構進行優化。

等效應變的分布云圖如圖3所示，等效應變的分布規律與等效應力的分布規律很相似，較大的應變主要集中在承壓環的內邊緣和外邊緣上，最大應變數值為2.1471×10-5。

總變形的分布云圖如圖4所示，從圖中可以看出最大變形出現在吊卡承壓環的外邊緣處，最大變形量為4.5011×10-7m。其它部分的變形較為對稱、均勻。

3 結構優化建議

（1）建議對吊卡承壓環面積加大，減少單位面積上所受的壓力，同時承壓環兩側邊緣處應力集中較為明顯，是裂紋、斷裂等情況發生的主要位置，可以采取底部圓角結構過渡，減少應力集中。

（2）對承壓坐部分進行加硬處理，減少磨損和變形，增加使用壽命。也可以在承壓環上采用彈簧鋼材質的半圓環墊，在多次使用后，只需更換半圓墊即可。

圖1 本體部分網格劃分

圖2 等效應力分布

圖3 等效應變分布

圖4 總變形分布