旋转导向工具片弹簧强度与疲劳分析

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1、2010年天然气技术Vol.4，No.5第4卷·第5期NaturalGasTechnologyOct.2010doi：10.3969／j.issn.1673－9035.2010.05.016旋转导向工具片弹簧强度与疲劳分析兰洪波（中海油田服务股份有限公司油田技术事业部，北京065201）摘要翼肋是旋转导向工具起导向功能的重要部件，在翼肋伸出并完成导向后，需要快速收回，以免刮蹭井壁和破坏井眼，而片弹簧便是起快速收回翼肋的作用。所以片弹簧的强度与疲劳寿命必须满足要求，以避免旋转导向工具在井下工作时翼肋收回失败，造成旋转导向工具失效

2、。利用Solidworks三维设计软件建立片弹簧装配体模型，并运用有限元分析软件COSMOSWorks对片弹簧装配体进行强度和疲劳寿命分析，通过分析计算结果，为片弹簧的结构设计提供参考依据。关键词片弹簧强度疲劳寿命中图分类号：TE82文献标识码：A文章编号：1673-9035（2010）05-0047-03在COSMOSWorks分析软件中进行强度分析的第0引言一步是对模型进行前处理，需要建立1个静态算例。旋转导向工具是应用非常广泛的高端定向钻井算例是由一系列参数所定义的，这些参数完整地表工具，目前主要有Shlumberger

3、公司的PowerDrive与述了该物理问题的有限元模型。静态算例需要定义BakerHughes公司的AutoTrak以及Halliburton公司的的参数和对模型进行前处理包括以下几个方面：①[1]Geo-Pilot3种。其中AutoTrak的主要导向原理确定分析类型；②定义模型材料；③确定模型边界是：3个翼肋同时伸出支撑在井壁上，其合力方向就条件（施加的各项约束）；④进行网格划分。是要导向的方向。当工具完成导向后，需要快速收建立的片弹簧装配体模型包含翼肋、片弹簧和回翼肋，不然就会刮蹭井壁和破坏井眼。因此，需片弹簧限位块3个零

4、件。其中翼肋与片弹簧是通过螺要设计能将翼肋快速收回的弹性装置，即片弹簧来钉连接的，由于在COSMOSWorks分析软件中可以将满足旋转导向工具的要求。而在片弹簧设计完成通过螺钉连接的两个零件之间的约束设定为“螺栓后，为了验证其是否合理，需要对片弹簧进行强度接头”约束，所以将翼肋与片弹簧之间的约束定义和疲劳寿命分析。采用Solidworks三维设计软件建立为“螺栓接头”约束，螺钉的预紧力矩设定为30片弹簧装配体的模型，并运用有限元分析软件n·m。而片弹簧的一端是插到片弹簧限位块中的限位COSMOSWorks对片弹簧装配体进行强度

5、和疲劳寿命槽里，在翼肋伸出，拉伸片弹簧时，起到对片弹簧分析，通过对计算结果的分析，为片弹簧的结构设的限位作用，所以将片弹簧与片弹簧限位块之间的计提供参考依据。约束定义为“接触”约束，表面接触忽略间隙，片弹簧限位块是固定的，所以定义为“固定约束”。翼1静态分析肋是旋转导向工具起导向功能的关键部件，是由液COSMOSWorks是一套强大的有限元分析软件，压系统给活塞提供动力，来将翼肋顶出一定位移并能对用Solidworks建立的实体模型进行各种分析，其支撑在井壁上，靠井壁给翼肋的反作用力的合力确[2]优点是运算速度快，并且能够对装

6、配体进行分析。定旋转导向工具的导向方向。所以施加在翼肋上的在片弹簧装配体模型建立后，运用COSMOSWorks有约束可以定义为“8mm位移约束”。进行网格划分限元分析软件对片弹簧装配体进行分析。时，系统根据给定参数自动进行网格划分，同时也收稿日期：2010－06－09修订日期：2010－09－03作者简介：兰洪波（1977－），硕士，工程师，从事井下石油工具的开发。E-mail：lanhb@cosl.com.cn天然气技术／47第4卷兰洪波，旋转导向工具片弹簧强度与疲劳分析第5期可以自己设定特定区域的网格密度。由于片弹簧拉25

7、749。翼肋和片弹簧限位块采用的材料为钛合金回翼肋时，其受力主要集中在螺钉连接处，故可以Ti－6Al－4V，片弹簧采用的材料为弹簧钢60Si2Mn，对片弹簧螺纹孔的网格进行加密，提高分析的精其材料机械性能见表1。度。网格划分后的单元数为14965，节点数为强度分析中，COSMOSWorks解算器选择“自表1零件材料机械性能表零件材料弹性模量／GPa剪切模量／GPa泊松比屈服强度／MPa钛合金Ti－6Al－4V104.841.0230.311050弹簧钢60Si2Mn206.079.9000.291176动”，并勾选“大位移”选

8、项，点击“运行”，高周疲劳中，交变应力大小适中，在材料中几乎不COSMOSWorks开始进行分析。由于COSMOSWorks产生或只产生很小的塑性变形。用来描述高周疲劳采用独有的快速有限元技术和精确计算技术，其分的方法被称为是基于S－N曲线的方法。材料所能承析计算的速度比较快