基于Abques的石油鉆機(jī)大鉤鉤體分析與計算

呂宵宵 趙毅紅 張志萍

摘 ?要： 為保證大鉤鉤體滿足設(shè)計要求，根據(jù)API 8C和AMSE的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對YG-170型的大鉤鉤身進(jìn)行了有限元分析。利用SolidWorks軟件構(gòu)建大鉤鉤身的三維實(shí)體模型，應(yīng)用Abques軟件對其進(jìn)行有限元應(yīng)力應(yīng)變分析，結(jié)合分析結(jié)果對大鉤構(gòu)體在最大鉤載和最大鉆柱重量條件下的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核計算，計算結(jié)果完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞： 大鉤鉤體;有限元;Abques

中圖分類號： TE923;TP39 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.08.010

本文著錄格式：呂宵宵，趙毅紅，張志萍，等. 基于Abques的石油鉆機(jī)大鉤鉤體分析與計算[J]. 軟件，2019，40（8）：4648

【Abstract】： Finite element anslysis of YG170 oil drilling hook body to ensure that meets the design requirements， according to the related standards of API 8C and AMSE. The 3d solid model of the hook body was built by SolidWorks， and the finite element stress and strain analysis was carried out with Abques. Combined with the analysis results， the strength and stiffness of the hook body under the condition of the maximum hook load and the maximum weight of the drill string were checked and calculated， and the calculated results completely meet the requirements of the standards.

【Key words】： Hook; Finite element; Abques

0 ?引言

大鉤在鉆采和修井作業(yè)中主要用于起下鉆具、懸持鉆柱、下套管或遇阻時用于提拔鉆柱，排除井下事故。游車大鉤作為鉆機(jī)設(shè)備必不可少的提升設(shè)備，可用于提升水龍頭或者是頂驅(qū)設(shè)備。其結(jié)構(gòu)形式有兩種，分別為分體式和整體式。兩者相比后者具有結(jié)構(gòu)緊湊、整體長度較短的特點(diǎn)[1]。大鉤構(gòu)體部分是鉆機(jī)上的重要受力部件。由于鉤體的承載能力，安全性能至關(guān)重要，在大鉤的設(shè)計計算過程中，為了保證鉤體設(shè)計的合理性和使用安全性，對鉤體的力學(xué)性能研究是其設(shè)計的核心部分[3]。

本次進(jìn)行有限元分析的大鉤為YG-170型，為確保該產(chǎn)品質(zhì)量及使用的可靠性，按照API SPEC 8C標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行設(shè)計分析。目前對鉤體的有限元分析主要集中在對其強(qiáng)度的分析[2-4]。本文則利用Abaqus的中心差分顯式積分法對鉤體進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析，結(jié)合分析結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度、剛度的校核計算。

1 ?有限元模型建立

1.1 ?模型建立

根據(jù)大鉤的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，對其進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體建模。考慮到局部細(xì)節(jié)對有限元建模及分析運(yùn)算的影響，在不影響力學(xué)特性的前提下，忽略對鉤載的傳遞沒有影響和作用不大的零件。在建模過程中對螺紋孔、圓角特征等部分進(jìn)行了簡化處理，模型如圖1。

1.2 ?網(wǎng)格劃分

將模型導(dǎo)入Abques中進(jìn)行網(wǎng)格設(shè)置。通過比較，選擇結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，單元形狀為Hex，設(shè)置好默認(rèn)網(wǎng)格種子數(shù)，對鉤體局部細(xì)小區(qū)域及可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的部分采取網(wǎng)格加密處理。共劃分單元數(shù)為41675，結(jié)點(diǎn)數(shù)為47425，得到大鉤Abques有限元的計算模型如圖2。

1.3 ?邊界與載荷處理

在對大鉤鉤體進(jìn)行計算時，施加恒定載荷，忽略大鉤在運(yùn)動過程產(chǎn)生的振動等因素。由于大鉤鉤體為軸對稱，所以在模型對稱面即1/2鉤身處施加對稱約束。在鉤體圓筒施加垂直方向的固定約束。

1.4 ?材料屬性

Y170型大鉤鉤體由合金鑄鋼鑄造而成，材料為ZG25MnCrNiMo，通過查閱相關(guān)材料手冊，其基本性能參數(shù)見表1。

2 ?鉤體有限元結(jié)果分析

2.1 ?鉤體受最大載荷分析

YG170型大鉤最大鉤載為1700 KN，其應(yīng)力如圖3，變形如圖4所示。通過應(yīng)力及變形圖可知：在最大鉤載作用下，鉤體的最大應(yīng)力發(fā)生在中間凹槽兩邊的薄板處，最大應(yīng)力值為228.5 MPa。最大變形發(fā)生在中間凹槽兩邊的薄板處，最大變形量為1.215 mm。

根據(jù)API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)要求，最大鉤載為1700 KN時，安全系數(shù)為2.9[5]。根據(jù)有限元分析結(jié)果進(jìn)行鉤體強(qiáng)度安全系數(shù)計算，安全系數(shù)為：690/228.5=3.02，滿足安全強(qiáng)度的要求。

根據(jù)API Spec 8C，臨界永久變形不得超過2%，接觸區(qū)除外[5]。鉤體高為935 mm，臨界變形值為1.87 mm，根據(jù)圖4得出最大變形量為1.215 mm小于1.87 mm，滿足變形剛度要求。

2.2 ?鉤體受最大鉆柱重量分析

YG170型大鉤最大鉆柱重量900 KN，其應(yīng)力如圖5，變形如圖6所示。通過應(yīng)力及變形圖可知：

在最大鉆柱重量作用下，鉤體的最大應(yīng)力發(fā)生在兩側(cè)耳座處，最大應(yīng)力值為124.4 MPa。最大變形發(fā)生在鉤體兩側(cè)耳座，最大變形量為0.1557 mm。

根據(jù)API Spec 8C標(biāo)準(zhǔn)要求，最大鉆柱重量小于1334 kN時，安全系數(shù)為3[5]。根據(jù)有限元分析結(jié)果進(jìn)行鉤體強(qiáng)度安全系數(shù)計算，安全系數(shù)為：690/124.4=5.55，滿足安全強(qiáng)度的要求。

根據(jù)API Spec 8C，臨界永久變形不得超過2%，接觸區(qū)除外[5]。鉤體高為935 mm，臨界變形值為1.87 mm，根據(jù)圖6得出最大變形量為0.1557 mm小于1.87 mm，滿足變形剛度要求。

3 ?結(jié)論

利用有限元分析法對YG170型大鉤鉤體在2種不同的工況下進(jìn)行了靜力學(xué)分析。通過以上分析，得出大鉤鉤體在最大載荷和最大鉆柱重量下的應(yīng)力應(yīng)變情況，并根據(jù)API Spec 8C的標(biāo)準(zhǔn)要求，對大鉤進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度分析，計算結(jié)果均滿足API Spec 8C的標(biāo)準(zhǔn)。但由于未考慮實(shí)際生產(chǎn)條件下的振動等相關(guān)因素，所以計算結(jié)果偏于安全，還可進(jìn)一步優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃咸璞， 黨元， 高峰. YG135整體式游車大鉤的設(shè)計[J]. 石油礦場機(jī)械， 1996， 25 （5）： 11-16.

[2] 楊紅剛 蒲容春 駱宏騫. 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.

[3] 劉春友. DG675型大鉤鉤身有限元強(qiáng)度分析與設(shè)計優(yōu)化[J]. 石油礦場機(jī)械， 2015， 44（12）： 27-30.

[4] 馬世榜 黃榮杰 馮慶東 張林海. DG225型石油鉆機(jī)大鉤吊環(huán)座有限元分析[J]. 新技術(shù)新工藝， 2017， （4）： 59-62.

[5] API Spec 8C， Specification for Drilling and Production Hoisting Equipment（PSL 1 and PSL 2） [S] . 2012.

[6] 余華俐 徐創(chuàng)文. 基于Pro/E和ANSYS的鉆機(jī)大鉤強(qiáng)度有限元分析[J]. 制造業(yè)自動化， 2009， 31（10）： 119-121.

[7] 楊智棠. 基于有限元分析的小型石油鉆機(jī)拖掛機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]. 裝備制造技術(shù)， 2018， （10）： 43-47.