基于PRO/E的防噴器殼體設(shè)計(jì)及靜力學(xué)分析

張　慧

（天水師范學(xué)院，甘肅天水741000）

殼體是旋轉(zhuǎn)防噴器的主要部件之一，在工作時(shí)殼體內(nèi)部要承受高壓泥漿，殼體上部要連接旋轉(zhuǎn)總成外殼，旋轉(zhuǎn)防噴器中心管、密封膠芯等需殼體內(nèi)部包繞，另外為保證鉆井液暢通循環(huán)，其側(cè)面則要開通徑。鑒于防噴器殼體的重要性，為了進(jìn)一步對(duì)防噴器殼體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，本文將針對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)特性分析，此過程所采用分析軟件為PRO/E.

1　旋轉(zhuǎn)防噴器的主要參數(shù)

本文分析中所選擇的是一款國(guó)內(nèi)鉆井行業(yè)中較為通用的防噴器，該防噴器結(jié)構(gòu)如圖1所示。表1列出該防噴器相關(guān)參數(shù)[1]。

圖1　旋轉(zhuǎn)防噴器

表1　旋轉(zhuǎn)防噴器相關(guān)參數(shù)

2　殼體設(shè)計(jì)原則及參數(shù)

殼體設(shè)計(jì)原則：壓力容器設(shè)計(jì)原則。

在工作過程中殼體所要承受井內(nèi)高壓泥漿，其動(dòng)壓達(dá)到了10.5 MPa，因此可將殼體視為異形壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)，視其承受靜壓21 MPa.

殼體選用的材料為30CrNiMo，其材料的屈服極限為800 MPa.

3　殼體建模

建模過程：

（1）利用PRO/E軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)防噴器殼體創(chuàng)建三維模型；

（2）建立在模型簡(jiǎn)化理論基礎(chǔ)上，取殼體整體結(jié)構(gòu)的二分之一作為計(jì)算對(duì)象，忽略其倒角，建立殼體計(jì)算模型；

（3）依次進(jìn)行過濾界面、創(chuàng)建單元、定義材料等步驟，而后再進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

（4）利用Pro/Mechanica軟件部分進(jìn)行有限元分析。此過程中完成的殼體三維實(shí)體模型及殼體計(jì)算模型見圖2、圖3.

圖2　殼體實(shí)體模型

圖3　殼體計(jì)算模型

4　邊界條件的處理[2]

4.1　約束

旋轉(zhuǎn)防噴器在實(shí)際工作過程中是承受內(nèi)壓的，其殼體是對(duì)稱體，殼體所承受載荷亦為對(duì)稱分布，因此針對(duì)該殼體計(jì)算模型施加對(duì)稱邊界約束。

4.2　載荷

殼體所受載荷來(lái)自如表2所示的幾部分：

表2　殼體受載分布表

根據(jù)上述，所建立殼體力學(xué)模型見圖4.

圖4　殼體力學(xué)模型

4.3　計(jì)算結(jié)果及分析

圖5為通過PRO/E軟件有限元計(jì)算分析后得到的殼體Von Mises應(yīng)力圖。在殼體內(nèi)表面，內(nèi)相貫十字交叉的上下部位應(yīng)力達(dá)到最大值，約為229 MPa.最大應(yīng)力出現(xiàn)在此位置的原因如下：

（1）此處受縱向壓力；

（2）此處受橫向的壓力；

（3）卡箍拉力；

（4）此處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。另外殼體內(nèi)表面其余各處所受應(yīng)力均不超過70 MPa.

圖5　殼體Von Mises應(yīng)力圖

殼體外表面，最大應(yīng)力出現(xiàn)在殼體側(cè)法蘭處為70 MPa左右。這是由于側(cè)法蘭受力狀態(tài)較為復(fù)雜，其所受載荷有內(nèi)部壓力，來(lái)源于卡箍和螺栓的縱向拉力以及螺釘組橫向拉力。由于殼體壁厚較大，殼體外表面其余各處應(yīng)力均不超過30 MPa左右，應(yīng)力較小。

依據(jù)以上分析，對(duì)于約為229 MPa殼體最大工作應(yīng)力，按照殼體材料30CrNiMo，其屈服極限為800 MPa，其計(jì)算安全系數(shù)為3.49，依據(jù)高壓容器設(shè)計(jì)原則規(guī)定的2.3的安全系數(shù)而言，該殼體達(dá)到強(qiáng)度要求。

4.4　結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過分析可以看出：該旋轉(zhuǎn)防噴器殼體強(qiáng)度滿足工作要求，但最大工作應(yīng)力分布范圍極小，而基本不超過150 MPa工作應(yīng)力的分布范圍較大，殼體的應(yīng)力分布均勻性差，殼體大部分存在超過5.3較大安全系數(shù)的問題。因此，針對(duì)殼體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是必要的，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)可使得殼體獲得更趨合理的工作應(yīng)力分布，在不影響安全性的同時(shí)還能減輕零件質(zhì)量，節(jié)約成本。

殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化可通過以下幾方面實(shí)施：（1）針對(duì)殼體內(nèi)十字相貫處倒圓角，減小應(yīng)力集中程度，最大應(yīng)力值隨之減小。（2）由于殼體大部分應(yīng)力值較小，安全系數(shù)大，可減小殼體壁厚。（3）殼體與卡箍連接面處應(yīng)力很小，約30 MPa，可減小此處外徑。如圖6所示，是殼體通過以上改進(jìn)后的應(yīng)力分布圖?？擅黠@看出，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)殼體的應(yīng)力分布更為均勻合理，最大值由改進(jìn)前的229 MPa下降至180 MPa.

圖6　改進(jìn)后殼體Von Mises應(yīng)力圖

5　結(jié)束語(yǔ)

通過基于Pro/E的有限元靜力學(xué)分析，可以看出：該旋轉(zhuǎn)防噴器殼體在工作過程中承受不超過180 MPa的最大應(yīng)力，完全滿足強(qiáng)度要求。在進(jìn)行殼體安全系數(shù)計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，該殼體安全系數(shù)偏大。為使零部件上的應(yīng)力分布更趨合理，可對(duì)應(yīng)力較小的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這樣在不影響殼體安全可靠性的同時(shí)還可起到減輕殼體自重的作用。

可以看出計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，在各類機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)初期就可對(duì)其零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這樣就有效縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，顯著提高效率。