淺談石油機械連桿類零件三維有限元

摘 要：現(xiàn)階段部分石油鉆采機械為適應(yīng)復雜的載荷工礦和惡劣的工作環(huán)境，這種石油鉆采機械在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上與普通石油鉆采機械在結(jié)構(gòu)上相對較為復雜，所以在石油鉆采機械設(shè)計、研究過程中需要對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行仔細分析，這樣才能確保石油鉆采機械在惡劣的工作環(huán)境下正常進行石油鉆采作業(yè)。石油鉆采機械的空壓機、防噴器殼體、往復泵泵頭、曲軸以及連桿的強度問題，一直是石油鉆采機械設(shè)計與研究過程中面臨的主要問題，傳統(tǒng)材料力學和彈性力學的計算方法一般存在較大誤差，這對石油鉆采機械連桿類零件設(shè)計帶來很多影響。本文運用有限元算法對石油鉆采機械連桿類零件進行計算，力求通過有限元算法更好的完成石油鉆采機械連桿累零件的設(shè)計與研究。

關(guān)鍵詞：石油機械；連桿類零件；有限元分析；

中圖分類號：TE9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2014）-07-00-02

石油機械連桿類零件傳統(tǒng)算法所獲得的結(jié)果存在很多誤差，這對石油機械連桿類零件的設(shè)計與研究帶來很多不良影響，同時也在一定程度上限制了石油機械在新時期的創(chuàng)新與發(fā)展，為了更好的解決石油機械連桿類零件的設(shè)計與研究工作質(zhì)量，本文運用有限元算法對石油機械連桿類零件力學和彈性力學進行計算?，F(xiàn)階段有限元算法對石油機械連桿類零件可以進行強度、剛度以及穩(wěn)定性分析，同時也可以對石油機械連桿類零件進行彈性、塑性以及各類非線性分析，同時有限元算法所計算出結(jié)果與傳統(tǒng)算法計算結(jié)果相比具有很高的準確性，為石油鉆采機械連桿類零件的設(shè)計與研究有著重要作用。

一、三維有限元分析模型

現(xiàn)階段連桿類零件在石油鉆采機械中的應(yīng)用十分廣泛，連桿類零件的質(zhì)量會直接影響到石油鉆采機械的整體工作效率，所以石油機械制造產(chǎn)業(yè)在發(fā)展中要對連桿類零件的設(shè)計進行縝密計算與分析，要求連桿類零件在可以滿足石油機械正常工作的基礎(chǔ)上，提高石油鉆采機械在各種環(huán)境中的使用效率與使用壽命。鉆井泵連桿、空壓機連桿以及柴油機連桿是石油鉆采機械中的重要組成部分，其整體質(zhì)量會直接影響到石油鉆采機械在使用中的作業(yè)效率，由于連桿類零件在使用中所承受的負荷都是來自于其中心平面，所以在針對石油機械連桿類零件分析計算中要將其作為平面應(yīng)力問題進行處理。石油鉆采機械連桿類零件在使用中會受到三個應(yīng)力分量的影響，同時平面內(nèi)對連桿類零件另外三個應(yīng)力分量則是沿厚度常數(shù)，這要求我們在構(gòu)建位移函數(shù)過程中只需要考慮沿x、y方向的位移分量，而且我們再位移函數(shù)計算過程中可以將這些位移分量數(shù)值假定為x、y的函數(shù)。本文針對石油機械連桿類零件算法的簡化可以縮小有限元算法的解題規(guī)模，同時與傳統(tǒng)算法相比在很大程度上減少了準備的工作量，對降低計算機儲存量和計算時間等方面有著重要作用，同時也在很大程度上簡化了石油機械連桿類零件的分析研究工作。根據(jù)彈性理論對石油機械連桿類零件平面應(yīng)力分析過程中，計算模型本身必須滿足彈性理論對載荷作用方向的要求，由于厚度方向的尺寸比平面兩個方向的尺寸相對要小，使平面內(nèi)三個應(yīng)力分量沿其厚度的變化在模型分析中也相對較小，而厚度方向上的三個應(yīng)力分量在模型內(nèi)部也會出現(xiàn)為零或接近零，所以應(yīng)力和位移的基本假定只有在以上這種情況下才能成立。

二、石油機械連桿類零件三維有限元計算實例分析

現(xiàn)階段SAP5、SAP6、ANINA以及LISA等程序都可以運用到石油機械連桿類零件的三位有限元計算、分析過程中，而且三維有限元應(yīng)力分析程序8～21節(jié)點的計算精讀相對較高，因為三位有限元應(yīng)力分析程序會運用21個節(jié)點構(gòu)建差值函數(shù)，當3個自變量中有一個自變量數(shù)值在計算中是固定時，差值函數(shù)在計算過程中就成為另外2個自變量的雙二次函數(shù)，這樣可以更好的描述出石油機械連桿類零件內(nèi)部位移函數(shù)的變化。

（一）計算模型和計算程序分析

本文對LGWC-20/250空氣機車用的空壓機連桿進行有限元分析，本文中所分析研究的空壓機連桿結(jié)構(gòu)如圖1所示，在計算模型設(shè)計過程中不僅要考慮三維實體的要求，同時也要根據(jù)空壓機連桿結(jié)構(gòu)和受載特點對其進行處理，避免計算程序在分析三維實體模型過程中進行重復性計算工作。本文計算過程中取在小端孔中心左125mm位置處，將連桿從中部區(qū)域某一位置進行切斷并作為零位移面，同時在截面上各節(jié)點三個坐標方向12個自由度進行約束，這樣可以提高端邊界峰值應(yīng)力計算結(jié)果的準確性。根據(jù)連桿結(jié)構(gòu)和載荷所對稱的XOY平面和XOZ平面，所以我們予以位移邊界條件設(shè)置為W（x，y，z=0）=0和V（x，y=0，z）=0，采用標準通用程序SAP5對LGWC-20/250空氣機車用的空壓機連桿進行有限元分析。為了更好的進行LGWC-20/250空氣機車用的空壓機連桿在不同工況下的有限元分析，本文在實際計算分析中選取最大受拉和最大受壓兩種工況進行計算，這樣才能確保LGWC-20/250空氣機車用的空壓機連桿在不同工況下的實際設(shè)計要求。

圖1，LGWC-20/250空氣機車用的空壓機連桿結(jié)構(gòu)示意圖

（二）計算結(jié)果分析

圖2是小端外邊界主應(yīng)力分布和表面最大主應(yīng)力分布，而且從計算結(jié)果分析中我們可以明確了解到，應(yīng)力沿截面的分布從數(shù)值中可以確定是不均勻的，同時連桿內(nèi)部應(yīng)力在實際作業(yè)中小于邊界應(yīng)力，在最大受拉工況條件下桿身和小端連接處容易出現(xiàn)峰值應(yīng)力，這是由于節(jié)點處的抗彎剛度不同以及內(nèi)部截面的應(yīng)力集中導致。連桿在實際作業(yè)中需要不斷進行往復運動，因此連桿在實際作業(yè)中所承受的是非對稱循環(huán)交變載荷，所以應(yīng)該利用力學公式對連桿的疲勞強度進行校核，這樣才能確保連桿結(jié)構(gòu)可以承受不同工況下的非對稱循環(huán)交變負荷，對提高連桿在設(shè)計中的疲勞強度有著重要的現(xiàn)實意義。本文通過對連桿的計算結(jié)果通過分析可以明確，三位有限元算法可以更好的計算出石油機械連桿類零件的應(yīng)力數(shù)值，同時與傳統(tǒng)計算方法相比三位有限元算法可以保證計算結(jié)果的準確性，其不僅可以為石油機械連桿類零件的設(shè)計與研究提供精確的應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果，同時也在很大程度上簡化了石油機械連桿類零件的應(yīng)力計算研究工作時間。

圖2，小端外邊界主應(yīng)力分布和表面最大主應(yīng)力分布示意圖

三、結(jié)束語

石油機械連桿類零件設(shè)計與研究工作過程中需要進行結(jié)構(gòu)分析，傳統(tǒng)設(shè)計計算方法一般都是材料力學和彈性力學的計算方法，無法保證石油機械連桿類零件結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果的準確性，而有限元算法可以利用標準通用軟件完成這一系列計算、分析工作，同時也可以確保石油機械連桿類零件結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果的準確性，對提高石油機械在新時期的設(shè)計與研究質(zhì)量、效率有著重要意義。

參考文獻：

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