有限元分析在HF30便攜式鉆機動力頭殼體研究中的應(yīng)用

馬超林，柳文，呂明寬

(四川華鋒鉆探工程有限責任公司，四川 成都　610091)

有限元分析在HF30便攜式鉆機動力頭殼體研究中的應(yīng)用

馬超林，柳文，呂明寬

(四川華鋒鉆探工程有限責任公司，四川 成都610091)

摘要：便攜式全液壓巖心鉆機作為一種新型取心鉆探設(shè)備，摒棄了傳統(tǒng)的機械傳動鏈，采用液壓系統(tǒng)進行傳動及控制，使鉆機的設(shè)計和使用得到簡化。隨著科技的進步，機械行業(yè)的標準化水平逐漸提高，便攜式全液壓巖心鉆機在卷揚機、機架、動力組件、液壓操控系統(tǒng)、工作平臺等方面逐漸成熟，鉆機的專業(yè)設(shè)計就集中于動力頭等核心部件上，借助有限元分析方法來設(shè)計動力頭，可以提高設(shè)計的質(zhì)量、縮短設(shè)計周期。本文運用SolidWorks Simulation對動力頭模型進行有限元靜態(tài)應(yīng)力分析，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計。

關(guān)鍵詞:便攜式；鉆機；動力頭；有限元

1概述

動力頭是鉆機的核心部件，必須確保其有足夠的強度使鉆機正常工作。HF30便攜式鉆機動力頭的主要功能有兩部分：其一是為鉆具的旋轉(zhuǎn)和鉆桿的擰卸來傳遞扭矩，其二是在給進油缸的帶動下升降鉆具。由于這兩種動作是同時進行的，所以在對動力頭進行有限元分析的時候，必須同時進行分析。采用有限元分析軟件對動力頭在不同載荷條件下進行受力分析不僅可以優(yōu)化動力頭的設(shè)計，同時在提高設(shè)備開發(fā)成功率和縮短周期方面存在優(yōu)勢。

2有限元分析方法及軟件介紹

有限元法( Finite Element Method，F(xiàn)EM) 是將連續(xù)體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學、物理問題的一種數(shù)值方法。其通過把連續(xù)體分成個數(shù)有限的單元，每個單元只包含有簡單場函數(shù)，這些場函數(shù)的集合就可以代表整個連續(xù)體的場函數(shù)，再根據(jù)方程建立有限個待定參量的代數(shù)方程組，通過對離散方程組進行求解，就可得到有限元法的解。有限元分析可以將問題化繁為簡，具有計算精度高、形狀適應(yīng)性強等特點，是一種有效的工程分析手段。

Simulation 是SolidWorks公司開發(fā)的一種有限元分析軟件，作為嵌入式分析軟件可以與SolidWorks進行無縫連接。運用SolidWorks Simulation，可以快速地進行產(chǎn)品分析，計算、分析結(jié)果，在新產(chǎn)品研發(fā)過程中，縮短了周期，降低了成本，提高了質(zhì)量。SolidWorks Simulation提供了豐富的計算與分析工具，在對較復雜零件及裝配體進行運算、測試和分析的過程中具有優(yōu)勢。

3動力頭殼體的有限元分析

3.1模型創(chuàng)建

動力頭殼體主要由三部分組成，包括動力頭體和前端蓋、后端蓋。動力頭體固定在給進托架上，后端蓋上與液壓馬達相連，為鉆桿旋轉(zhuǎn)提供動力，在給進油缸的作用下，為給進提供動力，見圖1。動力頭所承受的載荷主要集中在這三部分上，通過實體建模并對其施加負載力進行有限元模擬。

3.2材料使用

本次研究的便攜式全液壓巖心鉆機動力頭的材料為合金鋼，查詢相關(guān)機械設(shè)計手冊可得到以下相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。在進行分析前的產(chǎn)品建模階段確定所需材料，也可以利用SimulationXPress工具指定材質(zhì)。

圖1　動力頭殼體模型

名稱合金鋼屈服強度355MPa抗拉強度600MPa彈性模量209GPa泊松比0.269密度7890kg/m3切變模量79GPa

3.3約束添加

在系統(tǒng)的“約束”設(shè)定窗體上，為模型進行約束的添加。約束不僅可以添加到多個面上，還可以添加到每個面的各個方向上。在運算分析時，約束至少有一個，本文所加約束如圖2所示。3個零件的約束類型均為固定端約束，通過安裝孔采用螺栓固定。此類約束既有XYZ三個方向的約束反力，也有三個方向的約束反力偶。

用solidworks分別打開以上3個零件模型，并加載SolidWorks Simulation有限元分析模塊，首先選擇約束類型，點擊Simulation算例顧問，選擇靜態(tài)應(yīng)力分析，然后點擊夾具顧問，選擇約束類型為固定幾何體。

3.4載荷施加

便攜式全液壓巖心鉆機的動力頭主要受到機頭的扭矩和給進油缸的拉壓力，通過對其工況的分析，可知動力頭受到載荷最大的時候為機頭按照最大扭矩1084 N·m進行鉆進工作，同時給進油缸達到最大拉力53kN。載荷施加如圖2所示，其中圖2(a)為動力頭體所受載荷，沿腔體內(nèi)壁順時針方向扭矩載荷1084N·m均勻分布，沿軸向拉力53kN，以及約束反力和反力偶；圖2(b)為前端蓋所受載荷，沿軸向拉力53kN，以及約束反力；圖2(c)為后端蓋所受載荷：沿端面順時針方向扭矩載荷1084 N·m均勻分布，以及約束反力偶。

圖2　載荷和約束分布圖

3.5網(wǎng)格劃分

采用實體網(wǎng)格，動力頭體、動力頭前端蓋、動力頭后端蓋的相關(guān)網(wǎng)格劃分參數(shù)如表2所示。劃分網(wǎng)格后的模型如圖3所示。

表2　網(wǎng)絡(luò)劃分參數(shù)

圖3　網(wǎng)格劃分示意圖

3.6運算分析

網(wǎng)格化的模型經(jīng)過運算分析，在約束和載荷的作用下，可以得到相應(yīng)的靜態(tài)應(yīng)力分布圖和位移分布圖，見圖4～圖9。

圖4　動力頭體靜態(tài)應(yīng)力分布圖

圖5　前端蓋靜態(tài)應(yīng)力分布圖

圖6　后端蓋靜態(tài)應(yīng)力分布圖

圖7　動力頭體位移分布圖

圖8　前端蓋位移分布圖

圖9　后端蓋位移分布圖

3.7結(jié)果分析

通過分析上述運算結(jié)果可知：(1)3個零件的最大應(yīng)力受力情況分別是15.58MPa，171.24MPa，9.66MPa。均低于材料的屈服強度355MPa和抗拉強度600MPa。(2)對于動力頭體來說，其在遠離鉸接點的位置存在最大位移僅為3.98×10-4mm，前端蓋最大位移為1.674×10-2mm，后端蓋最大位移為9.14×10-4mm，完全滿足使用要求。

4結(jié)束語

通過對HF30便攜式全液壓巖心鉆機的動力頭受力進行靜態(tài)力學分析，運用SolidWorks Simula-

tion軟件對關(guān)鍵件進行有限元分析，不僅對其應(yīng)力、位移情況更加了解，由分析的結(jié)果還可以得知在哪些地方需要更改和加強，使動力頭更加可靠。

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收稿日期：2016-03-23

作者簡介：馬超林(1976-)，男，四川岳池人，西南交通大學研究生,四川華鋒鉆探工程有限責任公司工程師，主要從事巖心鉆探設(shè)備材料管理工作，四川省成都市青羊工業(yè)集中發(fā)展區(qū)廣富路218號G8C，Tel：028-61509098，13982236032，E-mail：schfztsc@126.com。

中圖分類號:P634.31

文獻標識碼：A

文章編號：1009-282X(2016)03-0011-03