鐵鉆工沖扣鉗殼體輕量化設(shè)計

裴峻峰，時專泰，宋傳智，劉志剛

（1.常州大學(xué)機械工程學(xué)院,江蘇 常州213016；2.常州市石油石化裝備技術(shù)重點實驗室,江蘇 常州213016；3.江蘇如石機械有限公司,江蘇 如東226406)

1 引言

鐵鉆工（Iron Roughneck）是石油鉆井自動化生產(chǎn)的井口機械化設(shè)備，是液壓混合動力大鉗的換代升級產(chǎn)品，它可以便捷地完成鉆具的沖卸扣和旋緊扣等動作。目前，國內(nèi)鐵鉆工的研制開發(fā)工作正朝著性能優(yōu)越的方向發(fā)展，所以針對國內(nèi)石油鉆井市場的需求開發(fā)出適應(yīng)性廣、穩(wěn)定性高和性能優(yōu)良的鐵鉆工有重要的意義。沖扣鉗是鐵鉆工直接用來對鉆桿等鉆具進行擰卸扣的裝置，通過夾緊缸液壓裝置直接作用將鉆桿夾緊，再通過扭矩缸的伸縮來控制上鉗相對下鉗的轉(zhuǎn)動，從而進行上卸扣，液壓直接驅(qū)動方式以其自動化程度高、結(jié)構(gòu)緊湊安全性能好等優(yōu)點得到普遍的應(yīng)用。

針對鉆桿與沖扣鉗接觸分析，文獻［1］通過對單個鉗牙接觸鉆桿研究，得到最優(yōu)圓弧型牙板齒高、牙型角；文獻［2］就有關(guān)拆裝牙板損傷，推導(dǎo)出牙板作業(yè)損傷對鉆具失效影響的評價參數(shù)，得到均勻排列拆裝架牙板的最優(yōu)牙型角和牙高；針對鐵鉆工鉸接臂運動學(xué)和受力分析的基礎(chǔ)上，文獻［3］通過優(yōu)化鉸接點位置，來提高鉸接臂的工作性能；針對沖扣鉗性能分析，文獻［4］通過對沖扣鉗的機構(gòu)研究，改善了執(zhí)行機構(gòu)尺寸，減輕了機構(gòu)的自重，降低了成本，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。隨著機械工業(yè)的發(fā)展，機械設(shè)備設(shè)計趨于緊湊化、輕量化趨勢發(fā)展。目前，輕量化設(shè)計主要從材料與結(jié)構(gòu)兩方面考慮：（1）應(yīng)用新型輕量化材料，例如高強度鋼、鋁合金或者鎂合金等高強度和低密度材料；（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足強度和剛度的情況下，力求重量最輕。結(jié)構(gòu)優(yōu)化通常劃分為：拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，分別對應(yīng)于三個不同設(shè)計階段的產(chǎn)品，即概念設(shè)計、基本設(shè)計和詳細設(shè)計三個階段［5］。為滿足國內(nèi)的油氣鉆井市場的需求和節(jié)能降耗的需要，論文對鐵鉆工沖扣鉗殼體進行尺寸優(yōu)化設(shè)計，以達到輕量化的目的。

拓撲優(yōu)化也稱結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化，是在設(shè)計空間中尋找最佳的結(jié)構(gòu)形式或最優(yōu)的傳力路徑，提高材料的利用率，達到優(yōu)化性能和減輕質(zhì)量的效果。形貌優(yōu)化既可改變結(jié)構(gòu)的尺寸，也可改變結(jié)構(gòu)的形狀，在滿足設(shè)計要求的前提下優(yōu)化結(jié)構(gòu)的邊界形狀，從而改善性能和減輕質(zhì)量；尺寸優(yōu)化設(shè)計是在給定結(jié)構(gòu)的類型、材料、拓撲結(jié)構(gòu)的情況下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)截面尺寸，使結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕、體積最小。文獻［6］對客車車身結(jié)構(gòu)基于彎曲載荷和扭轉(zhuǎn)載荷兩種載荷工況進行拓撲優(yōu)化設(shè)計，再將關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)做簡化處理以降低產(chǎn)品復(fù)雜度，使車身質(zhì)量較原先降低了244kg，質(zhì)量為2231kg，藉由有限元分析指出，新車身的主要力學(xué)指標(biāo)如彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及各階模態(tài)特性都有提升。

當(dāng)前，人工智能算法在工程領(lǐng)域的應(yīng)用愈加廣泛，亦有學(xué)者采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法與優(yōu)化系數(shù)矩陣相結(jié)合的方式對具體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化?？紤]到ANSYS Workbench優(yōu)化模塊集成了常用的智能算法，文獻［7］在ANSYS Workbench優(yōu)化模塊平臺下對基座結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。由于基座優(yōu)化參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)存在非線性映射關(guān)系，直接對其進行優(yōu)化較困難，可基于ANSYS Workbench優(yōu)化模塊，即首先抽取樣本點建立基座設(shè)計參數(shù)與優(yōu)化目標(biāo)的預(yù)測模型，而后針對各優(yōu)化參數(shù)及取值范圍。由于筋、上板與下板幾何厚度值具有不確定性，因此采用隨機均布采樣的方式在各參數(shù)取樣范圍內(nèi)選取樣本點，并以離散量矩陣的形式表征不同參數(shù)組合的基座樣本模型，以此作為基座優(yōu)化預(yù)測模型的訓(xùn)練樣本及測試樣本。經(jīng)過優(yōu)化后，基座結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力雖有上升但仍在強度要求范圍內(nèi)，而基座重量由初步設(shè)計的3353.1kg下降至優(yōu)化后的1515.93kg，下降了54.8%，其實現(xiàn)了基座輕量化設(shè)計的目標(biāo)。

考慮到目前沖扣鉗作為性能迭代較慢的石油機械結(jié)構(gòu)又缺少與之相關(guān)的輕量化設(shè)計研究內(nèi)容，論文將結(jié)合其他行業(yè)的輕量化設(shè)計思路，對沖扣鉗嘗試做出輕量化設(shè)計研究。

2 沖扣鉗結(jié)構(gòu)

沖扣鉗殼體主要由上面板1、后豎版2、圓弧豎版3、耳板4、前貼板5、支撐板8、擋塊9、夾緊液壓缸11、前豎板12、牙板13等板件組成，如圖1所示。

圖1 沖扣鉗上鉗結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Clipper on the Clamp Structure Diagram

鐵鉆工沖扣鉗整體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。沖扣鉗既可以作為一種上卸扣工具單獨使用，也可以作為鐵鉆工的一個部件與旋扣鉗完成旋扣功能。在沖扣鉗裝置對鉆桿進行擰卸扣過程中，上下鉗同時夾緊鉆桿，通過扭矩缸作用，使上鉗相對下鉗轉(zhuǎn)動，達到對鉆桿的上卸扣。沖扣鉗可替代液壓動力大鉗和套管鉗實現(xiàn)上卸扣功能，并且自動化程度高。

圖2 鐵鉆工沖扣鉗結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Iron Roughneck’s Clipper Structure Diagram

3 沖扣鉗上鉗的有限元分析

3.1 沖扣鉗結(jié)構(gòu)三維模型的建立

由于沖扣鉗上下鉗結(jié)構(gòu)一樣且受力基本相同，故只需分析其中一個鉗體受力情況即可。采用三維實體建模軟件Solidworks對鐵鉆工沖扣鉗幾何模型，在建模過程中，避免倒角、圓角等局部特征，忽略焊接對仿真的影響，以為后續(xù)網(wǎng)格劃分、計算求解以及優(yōu)化分析做好準(zhǔn)備［8］。

3.2 網(wǎng)格劃分以及載荷的施加

在Design環(huán)境中導(dǎo)入三維模型，定義零件的材料屬性，主要零件材料屬性，如表1所示，對模型添加屬性，將沖扣鉗殼體之間的接觸定義為bonded接觸。對沖扣鉗在卸扣時的極限靜態(tài)工作狀態(tài)進行靜力學(xué)分析，耳板與扭矩缸接觸部位施加載荷，與牙板接觸處的夾緊缸部位采用固定約束。

表1 主要零件材料屬性Tab.1 Main Part Material Properties

對模型進行網(wǎng)格劃分，采用正六面體的網(wǎng)格類型，劃分后的網(wǎng)格，如圖3所示。當(dāng)網(wǎng)格劃分好后，基于給定單元的體積與邊長的比值模型中的單元質(zhì)量，ANSYS Workbench中mesh metric選項提供一個綜合的單元質(zhì)量（element quality）度量標(biāo)準(zhǔn)，范圍為0～1，質(zhì)量由壞到好［9］。經(jīng)過對計算時間、精度與網(wǎng)格質(zhì)量的綜合權(quán)衡，選取整體網(wǎng)格尺寸為10mm，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為336311，節(jié)點數(shù)量為686811，平均質(zhì)量為0.84。

圖3 沖扣鉗上鉗網(wǎng)格劃分圖Fig.3 Punch Clamp Main Pliers Mesh Diagram

3.3 靜態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果

由計算得出模型的應(yīng)力分布情況，最大應(yīng)力位置在夾緊液壓缸11與前貼板5接觸的部位，如圖4所示，按照有限元分析計算結(jié)果，最大應(yīng)力為411.83 MPa，整體最大變形量為0.48 mm，同時也可以得到整體質(zhì)量為558.8 Kg。

圖4 局部應(yīng)力圖Fig.4 Partial Stress Figure

由于沖扣鉗殼體零件為塑性材料，故許用應(yīng)力為：

式中：σs—材料屈服極限；ns—安全系數(shù)，論文中取的值為1.8。

為了確保沖扣鉗在外力作用下能夠安全的工作，滿足σmax≤［σ］即可。沖扣鉗殼體主要受力零件應(yīng)力校核，如表2所示，零件強度要求滿足，且存在一定的優(yōu)化空間。

表2 沖扣鉗主要受力零件應(yīng)力校核Tab.2 Impact Forceps Main Stress Components Stress Check

耳板應(yīng)力云圖，在耳板凸環(huán)處應(yīng)力較集中，應(yīng)力值較大，最大應(yīng)力為370.72 MPa；如圖6上面板應(yīng)力云圖，整體應(yīng)力值比較小，最大應(yīng)力為18.89MPa，許用安全系數(shù)較富裕。如圖6下面板應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力集中在下面板與耳板接觸部位，最大應(yīng)力值為328.8 MPa，故在實際焊接時應(yīng)注意應(yīng)力集中問題。圖7為中豎板應(yīng)力云圖，最大應(yīng)力值在與前貼板接觸的部位，最大應(yīng)力值為77.93MPa。圖8為前豎板應(yīng)力云圖，整體應(yīng)力較小，最大應(yīng)力值為47.14MPa，如圖5所示。

圖5 耳板應(yīng)力云圖Fig.5 Ear Plate Stress Figure

圖6 上、下面板應(yīng)力云圖Fig.6 Top Panel and Bottom Panel Stress Figure

圖7 中豎板應(yīng)力云圖Fig.7 Vertical Plate Stress Cloud Figure

圖8 前豎板應(yīng)力云圖Fig.8 Front Vertical Plate Stress Figure

4 優(yōu)化設(shè)計

4.1 數(shù)學(xué)模型的建立

4.1.1 設(shè)計變量

在沖扣鉗優(yōu)化設(shè)計中，沖扣鉗殼體為主要優(yōu)化對象，當(dāng)材料和其制造工藝等參數(shù)確定時，因為決定其重量的主要因素是其組成零部件的截面積，因此求解最優(yōu)截面面積問題就是對沖扣鉗的輕量化問題進行求解。論文將沖扣鉗外殼板件的厚度作為輸入?yún)?shù)，分別為上面板、下面板、后豎版、前豎板以及耳板5個零件的厚度取為設(shè)計變量，求取最佳參數(shù)值。

參數(shù)的向量表達式為：P=［p1p2p3p4p5］T；各參數(shù)對應(yīng)的尺寸單位mm，如表3所示。

表3 各參數(shù)對應(yīng)尺寸Tab.3 Each Parameter Corresponds to the Size

4.1.2 目標(biāo)函數(shù)

沖扣鉗輕量化的最終目標(biāo)是在滿足沖扣鉗的性能要求的基礎(chǔ)上，使其橫截面積最小，從而使重量最輕，所以其數(shù)學(xué)表達式為：

4.1.3 約束條件

尺寸約束：根據(jù)沖扣鉗分析結(jié)果以及工作中涉及的各類參數(shù)，綜合受力與實際工作情況，將各個變量的取值范圍限定，如表4所示。

表4 各個變量的取值范圍（/mm）Tab.4 Range of Values for Each Variable

強度約束：沖扣鉗結(jié)構(gòu)所承受的最大應(yīng)力值必須小于許用應(yīng)力值，即σmax≤[σ]。

剛度約束：在沖扣鉗沖卸扣時，作用力比較大，會引起沖扣鉗殼體的表型，因此產(chǎn)生變形位移量，其約束條件為：y≤［y］，取整體變形量小于1mm。

4.2 靈敏度分析

對沖扣鉗重要組成板件的厚度進行參數(shù)化建模，去除和關(guān)鍵分析目標(biāo)關(guān)聯(lián)較小或者無關(guān)的零部件或特征，而對關(guān)鍵性能直接相關(guān)的零部件不做板厚改變，例如液壓擋塊等。靈敏度分析是分析設(shè)計參數(shù)的變化對分析目標(biāo)的影響程度的一種方法，敏感度是結(jié)構(gòu)影響變化的梯度［14］，函數(shù)方程可導(dǎo)，表達式，如式（3）所示。

在沖扣鉗殼體的關(guān)鍵性能為指標(biāo)的結(jié)構(gòu)方程中，靈敏度分析的是各關(guān)鍵參數(shù)uj對零部件的屬性參數(shù)xi變化的敏感影響程度，即求uj對xi的偏導(dǎo)數(shù)，如公式（4）所示。

分別針對沖扣鉗強度、剛度以及重量進行敏感度分析，對結(jié)構(gòu)設(shè)計目標(biāo)相應(yīng)高或者低的零部件參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。

對于剛度特性，參數(shù)P5對整體變形敏感度最大，其余設(shè)計變量對其敏感度較小，且各參數(shù)都呈負相關(guān)；對于強度特性，參數(shù)P2的變化對整體最大應(yīng)力值最大，其余設(shè)計變量對其敏感度較小，參數(shù)P5呈正相關(guān)，其余參數(shù)呈負相關(guān)；對于重量特性，參數(shù)P4對整體重量影響最大，參數(shù)P1和P2對重量敏感度相對較小，且呈正相關(guān)，如圖9所示。

圖9 參數(shù)靈敏度分析Fig.9 Parameter Sensitivity Analysis

4.3 優(yōu)化結(jié)果

在ANSYS Workbench優(yōu)化設(shè)計模塊中，設(shè)置好相應(yīng)輸出參數(shù)后，設(shè)置20組設(shè)計點，并對其進行迭代求解，得到三個候選點，如圖10所示。選取重量最小的設(shè)計點與優(yōu)化前的參數(shù)比較分析，如表5所示，在滿足強度與剛度的要求下，求得沖扣鉗重量減輕了11.2%。

圖10 最優(yōu)參數(shù)組合Fig.10 Parameter Sensitivity Analysis

表5 優(yōu)化前后參數(shù)對比Tab.5 Optimization of Parameters Before and After Comparison

參數(shù)P1和P2這對設(shè)計點擬合的重量、位移和應(yīng)力響應(yīng)曲面如圖11，可以直觀反應(yīng)參數(shù)P1、P2對輸出參數(shù)重量、應(yīng)力和位移的影響趨勢，可以看出隨著參數(shù)P1值的增加，變形位移量降低，應(yīng)力值增加；隨著P2值的增加，變形位移值應(yīng)力值都在降低。

圖11 P1、P2響應(yīng)圖Fig.11 P1、P2Response Graph

參數(shù)P4和P5這對設(shè)計點擬合的重量、位移和應(yīng)力響應(yīng)曲面如圖12，反應(yīng)了參數(shù)P4、P5對輸出參數(shù)重量、應(yīng)力和位移的影響趨勢，可以看出隨著P4值的增加，變形位移量不變，應(yīng)力值降低；隨著P5值的增加，變形位移量降低，應(yīng)力不變。

圖12 P4、P5響應(yīng)圖Fig.12 P4、P5 Response Graph

5 結(jié)論

論文運用參數(shù)化建模和尺寸優(yōu)化方法，在不改變沖扣鉗殼體各零件之間的配合的前提下，運用Solidworks和ANSYS Workbench軟件，對沖扣鉗主要組成板件的厚度特征參數(shù)進行了輕量化設(shè)計。

通過輕量化設(shè)計得到如下結(jié)論：

（1）通過對影響沖扣鉗殼體重量、應(yīng)力和位移的因素進行了敏感性分析，可以在給定域內(nèi)尋找最優(yōu)方案設(shè)計，從而可在較大程度上減少了設(shè)計周期與成本。

（2）通過分析比較和優(yōu)化，前后沖扣鉗整體在滿足強度和剛度要求下，質(zhì)量減少了11.2%，同時保證了沖扣鉗具有良好的力學(xué)性能，由此減少了材料成本，為鐵鉆工沖扣鉗的設(shè)計研制提供了理論依據(jù)。