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一 5 4 一 ■ 技术交流 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 5 年 第1 8 卷 基于有限元分析法的石油机械设备设计流程 杨锐 大庆钻探工程公司钻井四公司 ，吉林 松原 1 3 8 0 0 0 [ 摘要】本文在有限元分析优化的基础上，介绍了 石油机械设备设计流程 ， 针对目前石油机械设备存在的问题，阐述了 基 于有限元设计优化过程与传统设计过程的区别和联系。通过计算机软件和基于有限元分析的优化设计模型的构建，对石油 机械设备设计步骤作 出进一步优化分析，实现高效率运作模式。在实践中将该优化成果进行合理应用，将显著提高企业的 经济效益。 [ 关键词】有限元分析法； 石油机械设备； 优化设计 石 油机 械 设备 在 能源 产 业迅 速 发展 的 形势 下得 以广泛应 用 ，随着石油价格 的不断变动 以及 开采难度逐年加大，石油装备 的创新设计开发显 得 日趋重要。创新不仅是石 油生产开发工作 的前 提 ，而且对 石油产 品的质量和成本也发生重要影 响。 目前 ，在石油机械设备设计过程 中常见 的问 题有 1 经验选材方式。机械设备材料的选择影响 设备外观、使用性能、使用寿命等方面 ，选材至 少要满足性能和工艺这两种基本要求 。然而通常 情况下 ，一些人仅仅 依据 简单的计算和经验提供 的信息选择设备制造材料 ，这种方式严重 阻碍 了 设备设计最优化的进程 。 2 设备设计标准零散杂乱 ，没有在石 油设备 设计工作 中实现标准化与优化模型的融合。 在大力 弘扬可持续发展 的今 天，降低 能耗 、 提升机械设备的可用性对 于石油机械 设备 设计具 有十分重要的意义 。企业对 于石油机械设备 的设 计开发 ，应坚持走标准化 、低 投入 、零污 染、高 效能的发展模式。 在机械设备设计过程 中，针对零构件的强 度、稳定性等问题分析常用到结构力学、材料力 学等理论知识，如果零构件结构十分复杂，简单 的理论力学分析将很难完成。Wi n k e r t 在1 9 6 0 年分 析弹性力学平面 问题时首次提 出了F i n i t e E l e me n t Me t h o d 有 限元分析 法 ，标志着 有 限元分析 法首先在力学 中得 以运用 。随着研究的深入和计 算机技术 的普及 ，有限单元法不仅在 力学问题 的 分析计算中得以应用，还在其他科学技术领域中 得 到广泛应用 ，成为一种实用高效的数值分析方 法 。本文使用有 限元分析法来处理石油设备 的设 计 问题 ， 旨在提 高石 油机 械 设计 的效 率和 成功 率 。 对于有限元分析法应用的研究，许多学者作 出了相应的贡献 。王焕 定等 人[ 2 1 利用有 限元分析 软件，对超规范管板系统作出了结构优化设计， 从而使得管板 系统优化后 的重量相 比手工计算减 少 很多， 以实现零构件 中力的分布需要；陈龙、 文湘 隆、丁 国平【 3 】 以有限元分析软件ANS YS 为基 础 ，阐 述 了如何 应用 该软件 实 现对 普通 圆轴 强 度、刚度的校核， 同时提 出了在满足要求情况下 的结构优化方法 ；杨利伟、李志来【 4 】 在有限元 分析 的基础之上，提 出了柔性支撑结构 以满足反射镜 的面形精度要求。 笔者基于石油机械设备 的多维设计技术 ，通 过I n v e n t o r 软件的运用，对I n v e n t o r 的零构件设计、 组装包括重要特 征的参数化进行 了分析 ，提 出了 石油机械设备设计 的最佳流程及最优设计方法 。 1 石油机械设备的有限元优化流程 1 ． 1 确定石油机械设备零构件设计模型 石 油机械设计流程复杂 ，涉及很多先进 的计 算机软件和数据处理技术，如图1 所示。 作者简介杨锐 1 9 7 6 一， 女，吉林松原人，毕业于大庆石油 学院，硕士学位。工程师。在大庆钻探工程公司钻井四公司从事管 理工程工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第8 期 杨锐 基于有限元分析法的石油机械设备设计流程 一 5 5． 图1 石油机械设备设计流程 机械 中的零 部件是设备整体运行 的基础 。以 转轴类零件设计为例 ，轴在旋转零件构成 中必不 可少 ，同时也极易产生损坏和弯 曲变形 ，特别是 在 高速旋转设备 中。传统转轴 的设计需要耗费很 多时间用于校核，还要利用校核 的结果来校正设 计 ，因此如果不是经验丰富的人员 ，往往需要较 多的时间计算才能完成。 1 ． 2转轴有限元模型的建立 这里可通过二维有 限元模 型 在对 轴要求不 高情况 下 来对 轴的受载情况做 出仿真模拟 ，对 于有限元模型 ，可以通过二维模型，如 图2 所示 ， 直接建立节 点和单元来生成 ，而不需要 先构 建工 程模型再进行 网络划分 。模型建立之后 需要对轴 的性能作出约束。通过A N S Y S 软件对数据计算和 模拟后 ，可 以确定此 时转轴 的性 能参数是否满足 强度 、刚度及临界转速 的要求 。如果计算结果不 适用于使用值 ，仅 需要对命令流 中部分尺寸参数 作出改变 ，即可方便进行下一步的校核。 Fl F 2 F3 F 4 F 5 F6 F1 0 s兰 T i 一 一 一 ． 18 - JTIl。 图2 轴的二维模型图 另外 ，钻井井架 的抗振能力差 ，很难在动态 环境下完成工作 。因此，在井架设计 中，除 了要 考虑井架的静强度标 准，还应考虑其动态性能 。 采用 有 限元分 析 法 即可对 这一 问题 作 出有效 处 理 。因此，在石油钻采机械设计 中，有限元法应 用越来越广泛。 1 ． 3 有 限元模型的优势 有 限元模型与传统设计模式相 比，减少了计 算量，缩短了设计周期 ，更加简捷易行，同时能 够保证足够 的精度。 2结构优化设计 优化设计的思想应贯彻到机 械设计的所有环 节。在结构静力分析中，A NS YS 软件得到 了非常 广泛 的应用 ；Au t o F o r m软件则实现 了模具结 构 设计优化 、覆盖件成形 的结构模拟及优 化；有 限 元计算方法 的应用 同样有助于结构优化 的进程 ， 如有 限元逆算法能够在较短时间 内预测工艺坯料 的尺寸 ，求解效率高 。根据逆算 法的特 点，结合 优化模块，能迅速对压边力、摩擦等问题作出优 化 。再如利用有限元增量法 的求解 能够对冲压成 形过程进行精确模 拟。根据有 限元模拟结果显示 的F L D图可 以快速定位损坏部分，并采取相应 的 补救措施 。 3 模拟应用并提出设计修改意见 在模型初步应用过程中，需要经过反复修 改、调整 。修改可 以从两个不 同的方面入手 1 关于装配 约束 的修改 ，这时只需要对装配约束关 系作 出重新确 定即可 ； 2 对零部件参数及其结构 的修 改。根据初步运行结果开展修改工作 ，并重 新建立修 改后 的零件有限元模型，再进行进一步 的分析计算 。例如 ．有限元分析 方法在减轻重量 后 ，为 了维持原来机械强度 ，则可通过强度参数 的调整来实现机械疲劳极限的大幅度提升。 4结束语 有 限元法 在 固体 力 学 、流 体 力学 、材料 成 型 、传热学等方面应用广泛 。它 的有效解题 能力 强 ，能够准确地模 拟各种性能 的边界条件，给 出 的离散方程的形式规 范，有利于计算机软件 的使 用和编写相应的计算机程序，在优化的数值计算 方面 取得 巨大成功 。结构 的优化是有限元法在工 程中最主要的应用模式，如结构形状的最优化、 下转5 8 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m