水下多功能快速接頭彈性夾頭的有限元分析

王 偉，張艷春，肖易萍，肖德明

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

水下多功能快速接頭彈性夾頭的有限元分析

王 偉，張艷春，肖易萍，肖德明

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

彈性夾頭是水下多功能快速接頭的重要零件，其關(guān)系到水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性。采用ANSYS W orkbench有限元分析軟件計算得出彈性夾頭在被推入和脫離芯軸過程中的應(yīng)力、位移、反作用力狀態(tài)，證明了彈性夾頭的最大應(yīng)力小于材料的屈服強度，并分析得出連接和斷開水下多功能快速接頭時需要提供的推力和拉力，為ROV的選型提供了依據(jù)。

水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)；快速接頭；彈性夾頭；有限元

水下多功能快速接頭是一種用來連接水下液壓管路的裝置，可以同時連接或斷開多條液壓管路，多用于海洋石油工程的水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)中，將其連接和斷開的操作由ROV（遠程操作機器人）完成。彈性夾頭是水下多功能快速接頭的重要零件，在連接和斷開的過程中彈性夾頭的受力情況較為復(fù)雜，分析其應(yīng)力和變形狀態(tài)可以從理論上驗證其結(jié)構(gòu)強度的可靠性。分析連接和斷開過程中需要ROV提供的推力和拉力，可以為ROV的選型提供必要的依據(jù)。然而，彈性夾頭的形狀相對復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的力學(xué)計算方法很難得到精確解。

有限元法是隨著現(xiàn)代力學(xué)、計算數(shù)學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種新穎而有效的數(shù)值計算方法，由于有限元法具有堅實的理論基礎(chǔ)和處理復(fù)雜工程問題的能力，且計算精度相對較高，所以在工程中得到廣泛的應(yīng)用［1-2］。使用有限元法對水下多功能快速接頭的彈性夾頭進行分析是非常必要的。

1 水下多功能快速接頭結(jié)構(gòu)介紹

水下多功能快速接頭分為固定端和移動端2個部分，移動端和固定端之間采用彈性夾頭和芯軸連接，彈性夾頭安裝在移動端，芯軸安裝在固定端，如圖1～2所示。

彈性夾頭上設(shè)有8個彈性卡爪，如圖3所示。在將水下多功能快速接頭的移動端和固定端連接和斷開的過程中，需要ROV提供一個推力或拉力，使彈性夾頭產(chǎn)生彈性變形，進而使彈性夾頭推入或脫離芯軸，以達到連接和斷開水下多功能快速接頭的目的。

圖1 水下多功能快速接頭

圖2 連接形式示意

圖3 彈性夾頭

2 分析方法的研究

2．1 有限元分析軟件的選擇

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體等于一體的大型通用有限元商用分析軟件，自20世紀(jì)70年代誕生以來，隨著計算機和有限元理論的發(fā)展，在各個領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［3-4］。ANSYS公司推出了ANSYS經(jīng)典版和ANSYSWorkbench版，ANSYS W orkbench在模型的處理、網(wǎng)格劃分、后處理功能等方面相比ANSYS經(jīng)典版有較大的優(yōu)勢。本文采用ANSYS W orkbench進行有限元分析。

2．2 模型的建立及處理

1） 三維模型的建立。

在進行有限元分析之前，首先應(yīng)建立零件的三維模型。ANSYS W orkbench的Geometry模塊的建模功能相比ANSYS經(jīng)典版已經(jīng)有了顯著的提高，但是其只適合用于建立相對簡單的模型，處理復(fù)雜模型時其建模功能難以勝任。SOLIDWORK S軟件擁有強大的參數(shù)化設(shè)計能力，可以進行復(fù)雜實體造型［5］。因此本文選用SOLIDWORK S軟件建立彈性夾頭和芯軸的三維模型。

2） 三維模型的處理。

模型中一般包括一些對零件受力狀態(tài)影響微小的結(jié)構(gòu)，如非重要的倒角、圓孔等，刪除這些結(jié)構(gòu)可以減少節(jié)點數(shù)量，并提高網(wǎng)格質(zhì)量［6-8］。

在三維有限元計算機模擬計算中，單元和節(jié)點的數(shù)量制約著求解的速度和精度，循環(huán)對稱方法能使有限元模型的單元和節(jié)點數(shù)目大幅下降，節(jié)約計算機內(nèi)存占用量，縮短計算所需時間［9-10］。彈性夾頭上設(shè)有8個彈性卡爪，屬于圓周陣列結(jié)構(gòu)，可以使用ANSYS W orkbench的循環(huán)對稱功能進行分析，因此只需使用1／8的模型即可。將完整的彈性夾頭和芯軸模型切割成原來的1／8，如圖4所示。

圖4 完整模型的1／8

2．3 設(shè)置材料屬性

預(yù)防措施：如在地質(zhì)較軟處施工時應(yīng)當(dāng)先在表面鋪設(shè)一定厚度的碎石，碾壓密實后在鉆機底部墊入方木，增大鉆機與地面的接觸面積，以減少壓強避免位移現(xiàn)象。在地質(zhì)極為惡劣的地區(qū)，應(yīng)當(dāng)采取換填的方式來增加土層的穩(wěn)定性。并且在沖孔施工時注意觀察鋼絲繩的走向，如垂直方向有較大偏差時應(yīng)采取一定的措施，直至走向垂直。

彈性夾頭和芯軸的材料均為是一種馬氏體不銹鋼，韌性較強、耐腐蝕。材料的參數(shù)如表1所示。

2．4 設(shè)置載荷步

表1 材料參數(shù)

本文的分析過程分為2個步驟。

1） 分析將彈性夾頭推入芯軸的過程，即連接工況。

2） 分析將彈性夾頭脫離芯軸的過程，即斷開工況。

為了得到精確的分析結(jié)果，將推入過程和脫離過程分別分為60個載荷步，在A nalysis settings對話框內(nèi)將載荷步設(shè)置為60。

2．5 設(shè)置幾何非線性狀態(tài)

在線彈性力學(xué)分析中，假定位移與應(yīng)變關(guān)系是線性的，且應(yīng)變?yōu)樾×?，由此得到線性幾何方程［11］。然而彈性夾頭的卡爪有可能產(chǎn)生大變形，應(yīng)考慮材料形狀發(fā)生改變而使剛度也發(fā)生變化，屬于幾何非線性問題。為了得到精確的分析結(jié)果，在A nalysis settings對話框內(nèi)將大變形選項設(shè)置為on。

2．6 設(shè)置邊界條件

1） 設(shè)置循環(huán)對稱。

設(shè)置循環(huán)對稱首先要建立柱坐標(biāo)系，如圖5所示，在1／8模型表面設(shè)置循環(huán)對稱區(qū)域。

圖5 對稱設(shè)置

2） 接觸對設(shè)置。

在推入和脫離的過程中，彈性夾頭和芯軸會產(chǎn)生接觸，由此而涉及到有限元中的接觸問題。接觸問題是一種高度非線性行為，為了得到準(zhǔn)確的計算結(jié)果，設(shè)置合理的接觸參數(shù)非常重要［12-15］。本文中所分析的這種接觸問題屬于柔體與柔體的面與面的接觸，應(yīng)使用目標(biāo)面和接觸面來形成接觸對。如圖6所示，將彈性夾頭的面設(shè)置為接觸面，將芯軸的面設(shè)置為目標(biāo)面，接觸形式設(shè)置為摩擦形式，摩擦因數(shù)為0．15。

圖6 接觸設(shè)置

3） 約束設(shè)置。

為了便于觀察彈性夾頭的變形情況，假設(shè)彈性夾頭固定不動，芯軸沿軸向與彈性夾頭做相對運動。如圖7所示，將面A設(shè)置為Fixed support型約束，該面的6個自由度全部被約束。將面B設(shè)置為Displacement型約束，該面延x軸方向移動自由度被放開，其余自由度被約束。

將面C設(shè)置為Displacement型約束，除延x軸方向移動的自由度被約束外，其余自由度被約束。分析彈性夾頭推入芯軸的過程時，將面C延x軸方向的移動分為60個載荷步，每一步移動1mm，整個過程面C延x軸正方向移動60mm，初始位置為圖7所示，終止位置為圖2所示。分析將彈性夾頭脫離芯軸的過程時，同樣將面C延x軸方向的移動分為60個載荷步，每一步移動1mm，整個過程面C 延x軸負方向移動60mm，初始位置為圖2所示，終止位置為圖7所示。2．7 網(wǎng)格劃分

圖7 約束設(shè)置

使用ANSYSWorkbench的model模塊中的sizing功能，將彈性夾頭和芯軸的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2mm。將彈性夾頭的網(wǎng)格劃分方式設(shè)置為sweep，使其生成6面體網(wǎng)格。生成的網(wǎng)格如圖8所示，生成的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)分別為210 376個和118 829個。

圖8 網(wǎng)格

3 結(jié)果數(shù)據(jù)的分析

經(jīng)過迭代后結(jié)果收斂，得出彈性夾頭推入和脫離芯軸過程的應(yīng)力、變形、反作用力的計算結(jié)果。

3．1 推入過程的計算結(jié)果分析

圖9為推入過程中彈性夾頭最大應(yīng)力的變化曲線，當(dāng)位移量為54mm時彈性夾頭出現(xiàn)最大應(yīng)力值142．46mPa，此時的應(yīng)力云圖如圖10所示。彈性夾頭選用材料的屈服強度為1 080mPa，最大應(yīng)力值遠小于材料的屈服強度。

圖9 推入過程中最大應(yīng)力的變化曲線

圖10 應(yīng)力云圖

圖11為推入過程中彈性夾頭最大變形的變化曲線，當(dāng)位移量為54mm時彈性夾頭出現(xiàn)最大變形量1．971 9mm，此時的變形云圖如圖12所示。

圖11 推入過程中變形的變化曲線

圖12 變形云圖

圖13為推入過程中彈性夾頭面A的反作用力的變化曲線，該反作用力值與需要ROV提供的力相等，其中負值為推力，正值為拉力。當(dāng)位移量為15mm時彈性夾頭面A出現(xiàn)最大反作用力值472．7 N。因此，在推入過程中ROV至少要提供472．7 N的推力。

圖13 推入過程中反作用力的變化曲線

3．2 脫離過程的計算結(jié)果分析

圖14為脫離過程中彈性夾頭最大應(yīng)力變化曲線，當(dāng)位移量為5mm時彈性夾頭出現(xiàn)最大應(yīng)力值141．15mPa，此時的應(yīng)力云圖如圖15所示，最大應(yīng)力值遠小于材料的屈服強度。

圖14 脫離過程應(yīng)力的變化曲線

圖15 應(yīng)力云圖

圖16為脫離過程中彈性夾頭最大變形的變化曲線，當(dāng)位移量為5mm時彈性夾頭出現(xiàn)最大變形量1．974mm，此時的變形云圖如圖17所示。

圖16 脫離過程中變形的變化曲線

圖17 變形云圖

圖18為脫離過程中彈性夾頭面A的反作用力的變化曲線，該反作用力值與需要ROV提供的力值相等，其中負值為推力，正值為拉力。當(dāng)位移量為2mm時，彈性夾頭面A出現(xiàn)最大反作用力值575．12 N。因此，脫離過程中需要ROV至少要提供575．12 N的拉力。

圖18 脫離過程中反作用力的變化曲線

4 結(jié)論

1） 本文研究了水下多功能快速接頭彈性夾頭的有限元分析方法，具體分析了將彈性夾頭推入和脫離芯軸的2個過程，并詳細介紹了分析過程中建立模型、設(shè)置邊界條件、設(shè)置載荷步、劃分網(wǎng)格等方法。

2） 根據(jù)有限元分析結(jié)果，得到彈性夾頭在被推入和脫離芯軸過程中的應(yīng)力、變形、反作用力的狀態(tài)。分析結(jié)果證明彈性夾頭在被推入和脫離芯軸過程中的最大應(yīng)力值遠小于材料的屈服強度，不會發(fā)生塑性變形，其結(jié)構(gòu)強度可靠。分析得出在連接和斷開水下多功能快速接頭時需要ROV提供的推力和拉力值。

3） 本文所研究的水下多功能快速接頭彈性夾頭的有限元分析方法，今后可以應(yīng)用于彈性夾頭的優(yōu)化設(shè)計中，其分析出需要ROV提供的推力和拉力值，可以為ROV選型提供必要的依據(jù)。

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Finite Element Analysis for Collet of Subseamulti-Function Quick Connector

WANGW ei，ZHANG Yanchun，XIAO Yiping，XIAO Deming
（O ffshore Oil Engineering Co．，Ltd．，Tianjin300452，China）

T he collet is an im portant part in subseamulti-function quick connector，w hich influences the reliability of subsea oil and gas production system．ANSYS W orkbench was used to analyze the stress，deformation and reaction force of the collet in the process of pushing into and out of the core shaft．The results show that themaxim umstress of the colletis less than thematerial yield strength，and also show the values of pushing and pulling forces in the process of connecting and disconnecting，the necessary basis for ROV selection can be provided．

subsea oil and gas production system；quick connector；collet；finite element

T E952

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．013

2014-11-26

中國海洋石油總公司科技項目（CNOOC-KJ 125 ZD Xm05GC00GC 2012-01）

王 偉（1983-），男，天津人，工程師，碩士，主要從事海洋石油裝備的機械設(shè)計、制造及其仿真研究，E-mail：wang wei18＠m(xù)ail．cooec．com．cn。