2500型壓裂車副車架拓?fù)鋬?yōu)化及分析

吳漢川，劉 健，龐 罕，肖文生，楊本靈，牛文錄

（1.中國石化集團(tuán)江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠，湖北荊州434023；2.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266555；3.甘肅藍(lán)科石化高新裝備有限公司，蘭州730070） ＊

2500型壓裂車副車架拓?fù)鋬?yōu)化及分析

吳漢川1，劉 健2，龐 罕2，肖文生2，楊本靈3，牛文錄3

（1.中國石化集團(tuán)江漢石油管理局第四石油機(jī)械廠，湖北荊州434023；2.中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東青島266555；3.甘肅藍(lán)科石化高新裝備有限公司，蘭州730070）＊

壓裂車副車架是連接車輛底盤和安裝設(shè)備的重要部件，承受壓、扭及彎曲等載荷，需要足夠的剛度和強(qiáng)度。在分析拓?fù)鋬?yōu)化方法的基礎(chǔ)上，利用變密度法對(duì)2500型壓裂車副車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，得到副車架橫梁的形式和布置位置，改進(jìn)了副車架的設(shè)計(jì)方案。2種設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度對(duì)比分析結(jié)果表明：在橫梁數(shù)量減少的情況下，副車架的承載能力提高了10.1%。

壓裂車；副車架；拓?fù)鋬?yōu)化

隨著國內(nèi)對(duì)煤層氣、頁巖氣資源的開采以及原有油氣田挖潛增產(chǎn)措施的不斷推進(jìn)，大型數(shù)控壓裂車在各大油田得到廣泛應(yīng)用。壓裂車需經(jīng)常行駛于越野無路地帶，且自重較大（例如2500型壓裂車總質(zhì)量達(dá)45t），對(duì)壓裂車車架的強(qiáng)剛度和疲勞壽命提出了較高的要求［1－3］。同時(shí)，為了滿足壓裂車的行駛動(dòng)力性以及降低燃油消耗與排放的需要，要求在不發(fā)生斷裂和疲勞失效的前提下優(yōu)化車架各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式和布局，以提高車架強(qiáng)度并減輕質(zhì)量。由于壓裂車采用的二類底盤已配置原廠主車架，因此本文僅對(duì)2500型壓裂車副車架的性能進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和拓?fù)鋬?yōu)化。

1 拓?fù)鋬?yōu)化理論及方法

拓?fù)鋬?yōu)化是在確定的連續(xù)區(qū)域內(nèi)尋求結(jié)構(gòu)內(nèi)部非實(shí)體區(qū)域的位置和數(shù)量的最佳配置，以確保構(gòu)件布局及節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)方式最優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)在給定載荷及約束的情況下，其性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)［4－6］。連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化常用的方法有變厚度法、均勻化法以及變密度法等。變密度法以連續(xù)變量密度函數(shù)的形式表達(dá)單元相對(duì)密度與材料彈性模量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。該方法假設(shè)材料的物理常數(shù)和材料密度之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高［7－8］。變密度法數(shù)學(xué)模型為

式中，ηi為單元密度（單位體積的質(zhì)量），kg／mm3；ui為結(jié)構(gòu)位移，mm；、fi、ti分別為作用在初始結(jié)構(gòu)上的體積力和面積力，N；m0為給定初始結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量的上限，kg；m＊、Δ分別為優(yōu)化時(shí)指定去除材料的質(zhì)量或去除質(zhì)量的百分比；K、δ和F分別是剛度、位移和載荷矩陣。

2 主副車架連接模型

2500型壓裂車選用“Mercedes－Benz”ACTROS 4150 8×8底盤。該底盤的主車架采用邊梁式車架，2根縱梁中間通過橫梁連接；副車架通過止推板與主車架連接在一起，其連接形式如圖1所示。

圖1 主車架與副車架連接模型

3 副車架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 基結(jié)構(gòu)的建立

建立車架的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型首先應(yīng)選擇合適的基結(jié)構(gòu)形式（所謂基結(jié)構(gòu)就是優(yōu)化開始前選定的初始結(jié)構(gòu)）。由于副車架由縱梁和若干橫梁等構(gòu)成，所以選取了與副車架外緣尺寸相等的長(zhǎng)9 475mm、寬900mm、厚度為200mm的薄板作為拓?fù)鋬?yōu)化的基結(jié)構(gòu)。

考慮到主、副車架連接時(shí)由縱梁主要承擔(dān)載荷，故將左右縱梁區(qū)域設(shè)定為非優(yōu)化區(qū)域，且副車架末端安裝大泵，故也設(shè)為非優(yōu)化區(qū)域。副車架拓?fù)鋬?yōu)化的基結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，其中黑色區(qū)域?yàn)榉莾?yōu)化區(qū)域，白色為優(yōu)化區(qū)域。由圖2可知，副車架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)際是為了確定合理的橫梁布局和尺寸。

圖2 拓?fù)鋬?yōu)化基本結(jié)構(gòu)

3.2 邊界條件設(shè)定

1） 位移邊界條件 主、副車架通過連接板固定，在連接位置對(duì)自由度進(jìn)行完全約束。位移邊界的設(shè)定如圖3所示。

圖3 邊界條件設(shè)定

2） 載荷邊界條件 通過反復(fù)計(jì)算比較，安裝設(shè)備的固定裝置對(duì)副車架的影響甚微，因此可忽略固定裝置對(duì)分析結(jié)果的影響，故根據(jù)安裝設(shè)備的質(zhì)量分布和在車架上的位置將載荷直接施加在副車架的上表面對(duì)應(yīng)位置。

3.3 優(yōu)化結(jié)果及車架改進(jìn)設(shè)計(jì)

利用ANSYS拓?fù)鋬?yōu)化模塊，選用OC優(yōu)化計(jì)算方法，優(yōu)化迭代的收斂誤差設(shè)定為0.000 1，優(yōu)化迭代次數(shù)指定為10次［9］，將減少體積的50%作為優(yōu)化目標(biāo)。最終得到的優(yōu)化后單元結(jié)果如圖4所示，其中黑色部分為有材料區(qū)域，其他部分為可去除材料區(qū)域。

圖4 拓?fù)鋬?yōu)化單元結(jié)果

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，通過查詢不可去除材料的邊界可確定副車架橫梁的形式和位置。圖5為根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)副車架做的改進(jìn)方案，圖6為原副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。

圖5 改進(jìn)后的副車架結(jié)構(gòu)方案

圖6 原副車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

4 2種方案的對(duì)比分析

為了驗(yàn)證額定工況下改進(jìn)后副車架的強(qiáng)度性能指標(biāo)，本文對(duì)副車架2種設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度性能進(jìn)行對(duì)比分析。圖7為原設(shè)計(jì)方案的副車架應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力為214.9MPa。圖8為改進(jìn)機(jī)構(gòu)的副車架應(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)力為193.2MPa。

圖7 優(yōu)化后的副車架應(yīng)力分布云圖

圖8 原車架應(yīng)力分析云圖

5 結(jié)語

本文利用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)副車架的布置形式進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)了橫梁的位置和形式，減少了橫梁的數(shù)量。通過對(duì)原方案和改進(jìn)后設(shè)計(jì)方案的強(qiáng)度分析發(fā)現(xiàn)：在質(zhì)量減少的情況下，副車架的整體強(qiáng)度反而提高了10.1%。由此可見，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)可在保證車輛強(qiáng)度滿足工況要求的前提下有效減輕底盤質(zhì)量，提高了車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性、承載能力和地面通過能力，對(duì)提高壓裂車的越野能力和使用壽命具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Layout Optimization and Analysis of Sub－frame of 2500Fracturing Truck

WU Han－chuan1，LIU Jian2，PANG Han2，XIAO Wen－sheng2，YANG Ben－ling3，NIU Wen－lu3
（1.No.4 Petroleum Machinery Plant，Jianghan Petroleum Administration Bureau of SINOPEC，Jingzhou434023，China；2.College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；3.Lanpec Technologies Limited，Lanzhou730070，China）

Sub－frame of 2 500fracturing truck is an important component，which connects chassis and the vehicle equipment.Because of bearing tension，torsion and bending loads，the enough rigidity and intensity are necessary for chassis design.After analysis the topology optimization method，the variable density method is employed to analyze the propertyofthesubframeandthelayout and the location of the sub－frame is determined.Design of the sub－frame is improved.The result of the design presented in this paper shows that the carrying capacity of sub－frame is improved 10.1%with the number of cross－member decreasing.

fracturing truck；sub－frame；topology optimization

1001－3482（2012）03－0018－03

TE934.2

A

2011－09－22

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目“2 500hp大型數(shù)控成套壓裂裝備研制”（2009AA063601）

吳漢川（1960－），男，湖北黃陂人，高級(jí)工程師，主要從事石油機(jī)械設(shè)備的研究，E－mail：wuhanchuan＠vip.sina.com。