ASME Ⅷ-2分析設(shè)計(jì)法在形狀不規(guī)則零部件中的應(yīng)用

姜紅喜，李志剛，楊瓊，張東海

?

ASME Ⅷ-2分析設(shè)計(jì)法在形狀不規(guī)則零部件中的應(yīng)用

姜紅喜，李志剛，楊瓊，張東海

（四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川 成都 610036）

簡(jiǎn)介了ASME Ⅷ-2按分析設(shè)計(jì)法及其具體實(shí)施的等效線性化方法，并以提環(huán)強(qiáng)度分析為例，分別使用有限元常規(guī)分析及ASME Ⅷ-2按分析設(shè)計(jì)法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，通過(guò)兩種方法計(jì)算結(jié)論與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可知：按照ASME Ⅷ-2對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分類后，采用等效線性化方法，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際使用情況更吻合；尤其對(duì)于形狀不規(guī)則零部件，應(yīng)力分類后，計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際工程應(yīng)用；使用該方法設(shè)計(jì)計(jì)算，有利于在零部件的設(shè)計(jì)階段，有效地把控零部件尺寸、評(píng)估影響、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

ASME Ⅷ-2分析設(shè)計(jì)方法；不規(guī)則零部件；應(yīng)力分類；強(qiáng)度分析

在設(shè)計(jì)工作中，經(jīng)常會(huì)遇到形狀不規(guī)則的零部件的強(qiáng)度分析，使用三維有限元分析零部件強(qiáng)度是常用方式，但實(shí)際使用中，在材料結(jié)構(gòu)整體不連續(xù)位置（如形狀突變位置、開(kāi)孔處等）、點(diǎn)線接觸位置、接觸面和固定位置周邊等，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)局部高應(yīng)力的情況，此高應(yīng)力不滿足材料的許用應(yīng)力，甚至有可能超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，大部分采用塑性材料，出現(xiàn)深度很淺的小范圍塑性變形不會(huì)導(dǎo)致零部件的失效，出現(xiàn)小范圍塑性變形后，會(huì)引起應(yīng)變強(qiáng)化和應(yīng)力再分布，也就是說(shuō)，采用常規(guī)的許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法計(jì)算得到的局部不滿足設(shè)計(jì)要求的部分，在實(shí)際工程應(yīng)用中，并不會(huì)導(dǎo)致零部件失效。

在設(shè)計(jì)中，如果為了保證局部區(qū)域滿足許用應(yīng)力，采用提高材料性能或零部件尺寸的方式，會(huì)造成設(shè)計(jì)的零部件過(guò)于粗笨、空間布置受限、重量增加、生產(chǎn)制造成本增加等不利的后果，在這種情況下，可采用ASME Ⅷ-2中按分析設(shè)計(jì)的方法對(duì)零部件的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

1 ASME Ⅷ-2按分析設(shè)計(jì)方法

常用的設(shè)計(jì)方法可分為常規(guī)設(shè)計(jì)方法和分析設(shè)計(jì)方法，分析設(shè)計(jì)方法是以彈性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法[1]。ASME Ⅷ-2根據(jù)可能遇到的零部件應(yīng)力情況，基于應(yīng)力產(chǎn)生的原因、導(dǎo)出應(yīng)力的方法、應(yīng)力存在區(qū)域的大小及應(yīng)力沿厚度的分布四項(xiàng)基本點(diǎn)出發(fā)，并針對(duì)失效模式，為了工程應(yīng)用使用方便，對(duì)零部件各處的應(yīng)力進(jìn)行劃分[2]，各應(yīng)力的特征如下[3]：

（1）一次應(yīng)力

①一次薄膜應(yīng)力：零部件大部分區(qū)域的應(yīng)力，超過(guò)屈服強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致零部件結(jié)構(gòu)失效或產(chǎn)生總體變形；

②一次彎曲應(yīng)力：與截面形心的距離成正比的應(yīng)力，超過(guò)屈服強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致零部件局部區(qū)域塑性變形；

③局部一次薄膜應(yīng)力：局部區(qū)域的薄膜應(yīng)力，超過(guò)屈服強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致零部件局部區(qū)域塑性變形。

（2）二次應(yīng)力

有局部屈服和小量變形發(fā)生，但一次施加這種應(yīng)力不會(huì)導(dǎo)致失效，且再次施加應(yīng)力后該部分的屈服區(qū)域不會(huì)擴(kuò)展。

（3）峰值應(yīng)力

不引起任何的顯著變形，但可能導(dǎo)致疲勞裂紋或者脆性斷裂。

ASME Ⅷ-2按分析設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)力分類后，針對(duì)不同的應(yīng)力類型采用不同的失效評(píng)判準(zhǔn)則，如圖1所示。

以下部分以頂驅(qū)提環(huán)為例，進(jìn)行說(shuō)明。

應(yīng)力類型一次應(yīng)力二次應(yīng)力，薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力峰值應(yīng)力 總體薄膜局部薄膜彎曲 說(shuō)明沿實(shí)心截面的平均一次應(yīng)力不包括不連續(xù)和應(yīng)力集中；僅由機(jī)械載荷引起沿任意實(shí)心截面的平均應(yīng)力考慮不連續(xù)但不包括應(yīng)力集中；僅由機(jī)械載荷引起與離實(shí)心截面形心的距離成正比的一次應(yīng)力分量。不包括不連續(xù)和應(yīng)力集中；僅由機(jī)械載荷引起為滿足結(jié)構(gòu)連續(xù)所需的自平衡應(yīng)力發(fā)生在結(jié)構(gòu)的不連續(xù)處?？梢杂蓹C(jī)械載荷或熱膨脹差引起。不包括局部應(yīng)力集中1、因應(yīng)力集中（缺口）而加到一次或二次應(yīng)力上去的增量；2、能引起疲勞但不引起容器形狀變化的某些熱應(yīng)力 符號(hào)PmPLPbQF

（引自ASME Ⅷ-2圖5.1）[2]

2 有限元強(qiáng)度分析

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井在海洋和陸地多種鉆機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。目前國(guó)際上一些大的油氣公司要求專業(yè)化服務(wù)公司的大型鉆機(jī)必須配備頂驅(qū)，否則招標(biāo)時(shí)可能不予考慮[4]。提環(huán)作為頂驅(qū)的重要部件，是提升系統(tǒng)中的主要受力構(gòu)件，承載著頂驅(qū)、鉆桿、鉆頭等井下鉆具的全部重力，其力學(xué)性能直接關(guān)系到鉆井工作的安全性[5]。提環(huán)形狀很不規(guī)則，截面變化較大，具有幾何非線性和較大的局部應(yīng)力集中[6]，實(shí)際設(shè)計(jì)工作中多采用有限元分析其強(qiáng)度。

頂驅(qū)提環(huán)與大鉤接觸面為線接觸，接觸位置應(yīng)力較大，受力后接觸位置發(fā)生局部的塑性變形，變?yōu)槊娼佑|。

使用有限元分析的靜強(qiáng)度進(jìn)行校核。

2.1 材料及力學(xué)性能

提環(huán)選用材料的力學(xué)性能為屈服強(qiáng)度815 MPa、最小抗拉強(qiáng)度960 MPa。

2.2 模型處理及結(jié)果分析

提環(huán)與大鉤接觸面均為圓弧面，為了保證順利安裝，提環(huán)與大鉤圓弧直徑取值不同，提環(huán)與大鉤之間線接觸。

使用API 8C表6中規(guī)定的大鉤最大半徑1MAX＝114.3 mm[7]去接觸頂驅(qū)提環(huán)，使用很小的平面模擬實(shí)際線接觸情況，鉤載（最大鉤載4500 kN）作用在提環(huán)與大鉤接觸面位置。在提環(huán)銷(xiāo)軸及銷(xiāo)軸側(cè)面加強(qiáng)圈位置施加固定約束，如圖2所示。結(jié)果分析如圖3所示。

圖2 提環(huán)固定及加載方式

圖3 靜力有限元分析結(jié)果

3 許用應(yīng)力法強(qiáng)度分析

根據(jù)API 8C，提環(huán)安全系數(shù)為2.25[7]，其許用應(yīng)力＝815/2.25＝362 MPa。

從圖3可看出，其最大應(yīng)力為1262.7 MPa，遠(yuǎn)大于許用設(shè)計(jì)應(yīng)力。但從中也可看出，最大應(yīng)力主要位于接觸位置邊緣和接觸位置，在實(shí)際工作過(guò)程中，其接觸位置少量的屈服有利于應(yīng)力再分配，不會(huì)造成整個(gè)提環(huán)的失效。

API 8C規(guī)范5.4節(jié)中規(guī)定，在接觸區(qū)域允許有局部屈服[7]，故應(yīng)用許用應(yīng)力法分析，不足以判定該提環(huán)設(shè)計(jì)強(qiáng)度不滿足要求。

4 ASME Ⅷ-2按分析設(shè)計(jì)方法強(qiáng)度分析

由于以上分析過(guò)程中遇到的問(wèn)題，有必要對(duì)提環(huán)的應(yīng)力進(jìn)行分類，分類后應(yīng)用ASME Ⅷ-2 按分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行校核。

4.1 許用應(yīng)力

按照ASME Ⅷ-2按分析設(shè)計(jì)方法，各類應(yīng)力的許用應(yīng)力如下：

＝362 MPa（按API 8C 選取）

S＝max（1.5,S）＝815 MPa

S＝max（3, 2S）＝1630 MPa

4.2 等效線性化方法

應(yīng)力等效線性化概念源于ASME規(guī)范，Hollinger和Hechmer兩人提出了基于應(yīng)力線性化的三維應(yīng)力準(zhǔn)則[8-9]。等效線性化方法要求在結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面上可能發(fā)生危險(xiǎn)的幾個(gè)部位設(shè)定一些應(yīng)力線，應(yīng)力線應(yīng)貫穿壁厚，垂直于零件內(nèi)、外兩個(gè)表面或中面；然后根據(jù)合力和合力矩等效原理把沿應(yīng)力線分布的應(yīng)力分解成薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，剩余的非線性部分則為峰值應(yīng)力和二次應(yīng)力，到目前為止，著名的有限元 分析程序如ANSYS、MARG、NASTRAN等都提供了應(yīng)力等效線性化的后處理功能。但是，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，等效線性化方法存在選擇應(yīng)力分類線或面不唯一的困難，以及在結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位應(yīng)力線性化等難點(diǎn)[1]。頂驅(qū)提環(huán)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，可以使用該方法進(jìn)行應(yīng)力分析。

4.3 線性化路徑選取

在圖3中受力較大位置選取線性化路徑兩條，如圖4所示。

4.4 應(yīng)力分類

對(duì)這兩條線性化路徑上的應(yīng)力進(jìn)行分類，得出各種類型的應(yīng)力大小，如圖5～圖7所示。

4.5 結(jié)果分析

通過(guò)以上結(jié)果，按照ASME Ⅷ-2 按分析設(shè)計(jì)方法對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。

圖4 線性化路徑選取

圖5 一次薄膜應(yīng)力

圖6 一次薄膜應(yīng)力＋彎曲應(yīng)力

圖7 一次薄膜應(yīng)力＋彎曲應(yīng)力＋二次應(yīng)力

最大鉤載線性化路徑1校核結(jié)果為：

最大鉤載線性化路徑2校核結(jié)果為：

可知，提環(huán)絕大部分區(qū)域的應(yīng)力值滿足設(shè)計(jì)許用應(yīng)力；小部分區(qū)域的應(yīng)力值超過(guò)設(shè)計(jì)許用應(yīng)力，但沒(méi)有超過(guò)屈服強(qiáng)度，該現(xiàn)象主要發(fā)生在力的集中作用面上，由于作用面上產(chǎn)生過(guò)高的彎曲應(yīng)力、局部接觸膜應(yīng)力引起，但并沒(méi)有超過(guò)屈服強(qiáng)度，不會(huì)對(duì)零件的形狀和受力狀態(tài)產(chǎn)生影響；局部區(qū)域應(yīng)力超過(guò)了屈服強(qiáng)度，由二次應(yīng)力引起，發(fā)生在力作用面的邊沿位置，主要是由于力施加的不連續(xù)性造成，該處有局部屈服和小變形發(fā)生，之后該部位會(huì)進(jìn)行應(yīng)力再分配，再次施加應(yīng)力后該部分的屈服區(qū)域不會(huì)擴(kuò)展，不會(huì)造成零件的失效。故該提環(huán)在最大鉤載作用下，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

5 試驗(yàn)結(jié)果

提環(huán)按照設(shè)計(jì)圖紙生產(chǎn)制造后，進(jìn)行相關(guān)載荷試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)委托四川宏華石油設(shè)備有限公司技術(shù)檢測(cè)中心進(jìn)行，檢測(cè)時(shí)環(huán)境溫度為3℃，檢測(cè)設(shè)備為IMP測(cè)量系統(tǒng)，檢測(cè)點(diǎn)如圖8所示，測(cè)試點(diǎn)①位于提環(huán)內(nèi)側(cè)、②位于固定銷(xiāo)軸上側(cè)截面變化位置。

1.銷(xiāo)軸2.加載裝置3.大鉤4.提環(huán)5.固定裝置

分別對(duì)提環(huán)施加最大工作載荷、1.5倍最大工作載荷、2倍最大工作載荷，測(cè)量各載荷下的應(yīng)力值，結(jié)果如表1所示。

表1 各測(cè)量點(diǎn)應(yīng)力值

可知：該提環(huán)載荷試驗(yàn)時(shí)，最大應(yīng)力值為412.2 MPa，按照AIP 2C通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)確認(rèn)部分規(guī)定，峰值應(yīng)力區(qū)的應(yīng)變儀至少應(yīng)為1.1的強(qiáng)度裕度[10]，該數(shù)值雖然超過(guò)設(shè)計(jì)許用應(yīng)力362 MPa，但是測(cè)試點(diǎn)①為峰值應(yīng)力區(qū)，仍有1.98的強(qiáng)度裕度，故認(rèn)為滿足強(qiáng)度要求。測(cè)試點(diǎn)位于前述分析中線性化路線2中2號(hào)點(diǎn)位置附近（圖4（b）），由于該測(cè)試點(diǎn)沒(méi)有位于力作用面的邊沿位置，而是處于邊沿位置附近，故二次應(yīng)力的作用較小，可以參照應(yīng)力分析中一次薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的結(jié)果（圖6（b）），其中點(diǎn)2附件的應(yīng)力值大約為382～450 MPa，與試驗(yàn)結(jié)果相符。

繼續(xù)加載到1.5倍最大設(shè)計(jì)載荷，可知，提環(huán)的最大應(yīng)力值為620.8 MPa，仍然在屈服強(qiáng)度的范圍之內(nèi)，并沒(méi)有發(fā)生屈服；繼續(xù)加載2倍最大工作載荷后，提環(huán)的最大應(yīng)力值為826.7 MPa，大于最小屈服強(qiáng)度，發(fā)生局部屈服，但遠(yuǎn)小于最小抗拉強(qiáng)度960 MPa，不會(huì)有裂紋產(chǎn)生，且加載到2倍最大工作載荷卸載后，提環(huán)無(wú)肉眼可見(jiàn)的變形，探傷也未發(fā)現(xiàn)裂紋。強(qiáng)度和變形均滿足要求。

使用常規(guī)分析方法，在加載到4500 kN時(shí)，最大應(yīng)力為1262.7 MPa，超過(guò)最小抗拉強(qiáng)度960 MPa，會(huì)有裂紋產(chǎn)生，而實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，在加載到9000 kN后，提環(huán)強(qiáng)度仍滿足要求，無(wú)裂紋產(chǎn)生。使用應(yīng)力分類方法后，試驗(yàn)結(jié)果與應(yīng)力分類計(jì)算結(jié)果基本吻合。

6 結(jié)論

通過(guò)以上有限元分析中應(yīng)力不分類與分類的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可以看出，單純采用許用應(yīng)力設(shè)計(jì)方法、應(yīng)力不分類的情況下，計(jì)算強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，ASME Ⅷ-2按分析設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分類后，計(jì)算強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；通過(guò)載荷試驗(yàn)驗(yàn)證，其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，可見(jiàn)應(yīng)力分類后結(jié)果更合理，更適用于工程應(yīng)用。

故對(duì)于提環(huán)等形狀不規(guī)則的零部件，使用ASME Ⅷ-2按分析設(shè)計(jì)方法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分類后，進(jìn)行強(qiáng)度校核，可以在設(shè)計(jì)階段有效地把控零部件尺寸，確認(rèn)有限元分析中超過(guò)許用應(yīng)力部分對(duì)于零件失效的影響，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)；避免設(shè)計(jì)的零部件過(guò)于粗笨、重量增加、生產(chǎn)制造成本增加等不利后果。

[1]周羽，包士毅，董建令，等. 壓力容器分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)展[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，46（6）：886-892.

[2]ASME BPVC.VIII.2-2015，ASME Ⅷ-2 ASME Boiler & Pressure Vessel Code – Rules For Construction Of Pressure Vessels [S]. 2015.

[3]丁伯民. ASME Ⅷ壓力容器規(guī)范分析[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014：282-284.

[4]李傳華，楊啟偉. 頂驅(qū)鉆機(jī)技術(shù)進(jìn)展及建議[J]. 河南石油，2005，19（5）：49-51.

[5]蔣波，趙毅紅，王軍領(lǐng)，等. 基于ANSYS的提環(huán)有限元分析及優(yōu)化[J]. 揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，14（4）：60-63.

[6]馮慶東，張林海，侯宇，等. XSL675型旋扣水龍頭提環(huán)有限元分析[J]. 石油礦場(chǎng)機(jī)械，2016，45（1）：46-50.

[7]API 8C-2012，Drilling And Production Hoisting Equipment[S]. 2012.

[8]Hollinger G L，Hechmer J L. Three-dimensional stress criteria-A weak link in vessel design and analysis [J]. ASME Pressure Vessel and Piping，1986（109）：9-14.

[9]Hollinger G L，Hechmer J L. Summary of example problems from PV RC project on three dimensional stress criteria [J]. ASME Pressure Vessel and Piping，1996（338）：19-24.

[10]API 2C-2012，Offshore Pedestal-mounted Crane[S]. 2012.

ASME Ⅷ-2 Application in Irregular Shape Parts and Components

JIANG Hongxi，LI Zhigang，YANG Qiong，ZHANG Donghai

( Sichuan Honghua Petroleum Equipment Co., Ltd., Chengdu 610036, China )

Introduce the stress classification analysis in ASME Ⅷ-2 alternative rules and its application – equivalent linearization method. Using the strength analysis of bail as example，considered the strength with the routine element analysis and stress classification analysis in ASME Ⅷ-2 alternative rules, then compared the two different analysis results with the results of factory experiment, found that after classifying stress as ASME Ⅷ-2 alternative rules, using the equivalent linearization method, the stress calculation result is more in line with actual usage, especially for the irregular shape parts and components, the analysis results is more suitable for engineering application; Using the stress classification analysis and the equivalent linearization method is good for designing the irregular shape parts and components, we can control the size of parts and components effectively, assess impact and optimize design.

ASME Ⅷ-2 alternative rules；irregular shape parts and components；stress classification；strength analysis

TH123+.3

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.12.010

1006－0316 (2018) 12－0033－06

2018－05－25

姜紅喜（1984－），女，甘肅平?jīng)鋈?，碩士，工程師，主要從事石油機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)工作。