液压动力卡瓦夹紧钻柱有限元分析   肇庆升降路灯车出租, 肇庆升降路灯车租赁, 肇庆升降路灯车价格   液压动力卡瓦损伤钻柱Moradi等在伊朗NISOC油田钻柱失效事故的调查中发现65%的失效为钻杆失效，而卡瓦与钻柱的接触区为失效高发区。Payne等研究了深水钻井中，动力卡瓦对钻柱的挤毁载荷，通过在卡瓦牙板与钻柱之间放置压力传感器，测定接触区的应力分布，结果表明卡瓦与钻柱接触区存在应力分布不均的现象。Hossain等研究了卡瓦对钻柱的表面损伤，认为起下钻时容易在钻柱表面产生永久划痕，从而引起应力集中现象，降低了钻柱的屈服极限，严重时导致钻柱疲劳破坏。以上研究表明，在卡瓦牙板和钻柱接触区的应力集中及载荷过大，将导致钻柱面出现压痕、凹槽、裂纹甚至挤毁，缩短了钻柱的预期疲劳寿命。因此，对卡瓦体与钻柱有限元分析，研究动力卡瓦与钻柱接触区域应力分布很有必要。本文借助于ANSYS有限元仿真软件，对动力卡瓦与钻柱做有限元分析，目的在于研究卡瓦对钻柱的受力，分析钻柱中应力分布情况，以便设计合理的卡瓦体，避免过大的箍紧力使钻柱受到损伤。

        ANSYS简介本文对动力卡瓦与钻柱的有限元分析采用ANSYS软件，该软件是融合声场、电场、磁场、流体、结构分析于一体的大型通用有限元分析软件。由美国有限元分析软件ANSYS公司开发，能与许多CAD软件接口[36]，例如UGNX、SolidWorks、ProE等，实现数据的共享和交换，软件提供了多种工程模拟仿真，满足多种设计方案的验证，为工程仿真带来了便利，缩短了新产品的设计开发周期，受到全球工程师的青睐。有限元分析方法是近年来热门的分析方法，它的基本思想为“化整为零”，即将一个复杂结构分解成相对简单的“单元”，每个单元之间用结点相连接，单元内部的物理量由单元结点上的物理量按一定的假设通过内插方法得到，通过这样的处理方法就把复杂的结构从无限多个自由度简化成为有限个单元组成的结构。例如对结构力学分析时，只需分析一个单元的力学特性，按有限元法的规则将这些单元拼成整体，就可以得到整体结构的力学特性。对于不同的物理和数学模型，有限元求解的基本步骤相同，一般可以分为三个阶44段：（1）前处理阶段，包括创建或输入几何模型及划分网格；（2）求解阶段，包括施加载荷及边界条件；（3）后处理阶段，包括结果分析和评价并检查结果的正确性。所以，本章各小节中，将按照以上三个阶段对卡瓦体与钻杆进行结构静力学分析，使用ANSYSWorkbench软件的StaticStructural模块。

     卡瓦体与钻柱的前处理本文使用的有限元分析软件为ANSYSWorkbench14.0，其全新的项目视图功能，可将整个仿真流程更加紧密地组合在一起，通过简单的操作即可完成复杂的多物理场分析流程，对卡瓦体与钻柱的前处理主要为三维模型的建立与网格的划分。

     钻柱模型的建立与网格划分有限元中卡瓦体与钻柱模型的建立分为两个方面，即物理模型与几何模型。物理模型主要是指建立单元，确定材料属性，施加位移边界条件，几何模型主要是建立分析对象的几何信息，数据库并在屏幕上动态显示。本文采用在UGNX软件中建立几何模型，几何模型要突出重点，略去局部细节，简化模型，这样有利于ANSYS中网格划分，减少网格划分的数量，提高计算机求解速度。几何模型的建立具体过程为：在三维软件UGNX中建立的实体模型导出格式为*.igs的文件，然后在StaticStructural模块的Geometry项目中打开该文件，这样就实现了ANSYS中的几何建模。物理模型的建立主要在静力学分析模块的Modal中进行，包括模型材料属性，边界条件的施加等。此外，网格划分也非常重要，网格的疏密程度直接影响计算结果的精度，但是网格加密会增加计算机求解时间和更大的存储空间，理想情况下，合格的网格密度是结果不再随着网格的加密而改变的密度，即当网格细化后，解没有明显改变。一般情况下，针对不同形状的模型，采取不同的网格划分方法，只要通过检查模型网格划分均匀，仿真结果能反映真实受力情况，后处理过程中网格不产生畸变而导致出现其重新划分情况，都是合理的网格。钻杆通常由管体以及钻杆接头组成，APISpec5D-2001标准规定钻杆的钢级由E75、X95、G105、S135级这几种，其中X、G、S级为高强度钻杆，一般钻杆的钢级越高，管材屈服强度越大，钻杆的各种强度（抗拉、抗扭、抗外挤）也就越大。45本文选择S135钻杆，内外加厚型，钻杆基本尺寸参数见。  由于一般钻杆的标准长度都在3m以上，而动力卡瓦与钻杆接触区域在400mm左右，动力卡瓦夹紧钻杆时作用力也大部分集中在这一段接触区域上，且相比于单节钻杆的长度，两者的接触区域长度较短。因此，为了简化模型，减少网格划分的数量，取钻柱长度为700mm，忽略动力卡瓦与钻杆接触区域以外的钻杆对接触区域钻杆的影响。钻杆形状为空心的圆柱体，所以网格划分方法采用扫掠网格的映射面划分的方法，设置MappedFaceMeshing径向单元格数量为8，EdgeSizing中周向单元格数量为25，最终产生节点数目为43525个，单元格数目为9800个，得到的钻杆划分网格后，从网格单元检查功能MeshMetric中观察网格划分质量，确定网格划分合理。

      卡瓦体模型的建立与网格划分卡瓦体模型主要指卡瓦体内侧的卡瓦牙板，卡瓦牙板是直接与钻杆接触的工作部件。一般采用合金结构钢20CrMnTi，这类钢具有合适的淬透性，经过适宜的热处理后，显微组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因而具有较高的抗拉强度和屈强比，较高的韧性和疲劳强度，可用于制造截面尺寸较大的零件。46对于卡瓦牙板同样采用映射网格和扫掠网格的划分方法，划分结果。对卡瓦牙面的网格进行了加密划分，最终得到网格节点数目为64687个，网格单元数目为37374个，经过检查网格划分合理。图5.2卡瓦牙板网格划分5.4卡瓦体与钻柱的有限元求解动力卡瓦卡紧管柱的过程，实际上是卡瓦体上的牙板与管柱接触问题，因此使用ANSYSWorkbench软件的接触分析模块。一般情况下，两个独立表面相互接触并相切，称之为接触。接触式状态改变非线性，即系统刚度取决于接触状态，物理意义上，接触的表面包含如下特征：（1）不会渗透；（2）可以传递切向的摩擦力与法向的压缩力；（3）可以自由分离和互相移动，但不传递法向拉伸力。由于有限元中接触问题属于一种状态非线性问题，即使是高性能的计算机，为了得到较为精确的仿真结果，其求解过程相当漫长，需要的数据存储空间也相对较大，所以本文只针对卡瓦体与钻柱接触的一部分管体进行有限元分析。

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       约束的添加卡瓦体与钻柱接触建模与一般静力学分析流程相似。接触模型在Geometry中导入，网格的划分方法已经在上节说明。只显示了三分之一的卡瓦牙板和一段管柱，两者的接触长度为415mm。动力卡瓦夹紧钻杆时，在夹紧区域钻杆受到复杂的应力，分别由卡瓦夹紧钻杆产生的径向载荷与钻杆自重产生的拉伸载荷。接触模型为了研究动力卡瓦夹工作时对钻杆的影响，卡瓦体与钻杆的约束应添加在不影响整个模型应力、应变的区域。根据实际情况，确定夹紧时各零件约束添加情况如下：（1）模型中钻杆为整个钻杆截取的一部分，上下两个表面分别与钻杆管体的其他部分相连接，卡瓦夹紧钻杆时相当于将模型中的钻杆上端固定，下端自由。在钻杆上端面添加FixSupport（固定约束），下端面不添加约束。对于卡瓦牙板夹紧钻柱时，形成一个圆柱面，要约束其轴向位移和切向位移，所以用CylindricalSupport（圆柱面约束），在轴向和切向固定，在径向自由；（2）三个卡瓦体牙板与钻杆的约束通过接触类型约束，ANSYSWorkbench中接触类型一共有五种，分别为Bonded（绑定）、NoSeparation（不分离）、Frictionless(无摩擦)、Rough（粗糙的）、Frictional(有摩擦)，根据卡瓦与管柱的实际接触情况选择Frictional接触类型，设置摩擦系数为0.35。

       载荷添加在卡瓦与钻杆之间存在相互作用的挤压力和摩擦力，已经推导了相应的公式。在连杆与卡瓦体之间存在的作用力，与其他挤压力与摩擦力相比较小，所以忽略这部分的作用力的大小。卡瓦体对钻杆挤压力可以看成对卡瓦牙板背面上的表面压力pressure，表面力的方向垂直于背面并指向内部，与挤压力方向相同，表面压力计算公式为：aWKFPAAA——卡瓦牙板背面面积；K——横向载荷系数，这里取K=3.34。取轴向载荷aF=2724kN，卡瓦牙板背面面积为20.576m，求得表面压力为71.5810Pa，所以在pressure中添加大小为71.5810Pa载荷。此外，由于目前的钻井深度不断增大，钻柱长度也相对较长，钻柱自重问题不应忽略。轴向载荷为aF=2724kN，钻杆截面积为34.032cm，所以在钻杆下端面施加轴向拉伸应力为800MPa，方向为截面外法线方向。关于动力卡瓦与钻柱之间的摩擦力，已经在接触类型中设置了摩擦系数，所以此处不用添加载荷。

    卡瓦体与钻柱的ANSYS后处理卡瓦体夹紧钻柱类似于对厚壁圆筒施加了外部挤压力，这种外部挤压力作用在钻柱表面，对于弹塑性材料可能会在表面产生弹性变形，过大的外部挤压力还会在表面产生塑性变形[。卡瓦体与钻柱的后处理主要以强度分析为主，研究动力卡瓦对钻柱的受力以及损伤情况。强度分析以弹塑性理论为依据，本文采用第四强度理论，即vonMises理论，它的内容是：当某一点应力应变状态的等效应力应变达到某一与应力应变状态无关的定值时，材料就屈服。——单元体三个主应力，即钻柱内部单元体的径向应力、切向应力和轴向应力。

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