基于ABAQUS的绞车滚筒体有限元分析.pdf

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1、第５期（总第１９８期）机械工程与自动化Ｎｏ．５２０１６年１０月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＯｃｔ．文章编号：１６７２-６４１３（２０１６）０５-００８６-０２基于ＡＢＡＱＵＳ的绞车滚筒体有限元分析黄博文，赵毅红，董然，赵有伟，陈倩钰（扬州大学机械工程学院，江苏扬州２２５１２７）摘要：运用ＡＢＡＱＵＳ软件建立ＺＪ５０绞车滚筒体的有限元模型，在绞车提载、下钻和下钻急刹情况下对滚筒体进行静力学分析，结果表明：设计的滚筒体满足ＡＰＩ要求。利用拓扑优化模块对滚筒体的结构设计提出优化建议。关键词：ＡＢＡＱＵＳ；有限元；绞车；滚筒中图分类号：ＴＰ３９１.

2、７文献标识码：Ａ0引言Mｍａｘ＝・M静．（β３）绞车是钻机的核心部件，而滚筒体又是绞车的关其中：M静为快绳拉力产生的扭矩，M静＝M扭＝键部件。绞车作业时，滚筒体通过缠绕的钢丝绳承担１１６４５０Ｎ・ｍ；为动载系数，取＝２．５。β着钻机的最大钩载载荷，急刹时，在滚筒体和盘刹相接将相关数值代入式（３）计算得：Mｍａｘ＝２９１１２５Ｎ・ｍ。处会产生冲击载荷，因此滚筒体的安全性能至关重要。3有限元分析结果近年来，许多国内外专家和学者利用有限元分析技术对滚筒体进行有限元分析，得到的结果如图１～对绞车进行了仿真研究，本文以某公司生产的ＺＪ５０绞图３所示。由图１和图２可知，滚筒体的最大Ｍｉｓ

3、ｅｓ车为例，对其滚筒体进行建模分析，为滚筒体的校核和应力为３５５．８ＭＰａ，最大形变为０．４２ｍｍ。优化提供依据。1滚筒体有限元建模利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件建立滚筒体的三维实体模型并导入到ＡＢＡＱＵＳ软件中。滚筒体材料为ＺＧ３５ＣｒＭｏ，其弹性模量E＝２１０ＧＰａ，泊松比＝０．３。μ2滚筒体受力分析在ＺＪ５０钻机作业时，当绞车达到提载极限，滚筒受到的力为最大快绳拉力。在下钻过程中，快绳拉力对滚筒壁产生的载荷有弯矩M弯、扭矩M扭以及缠紧图１滚筒体应力云图的钢丝绳对筒壁的外压力P１。前两种载荷产生的应力很小，可重点考虑外压力P１。在下放钻柱结束刹车时，滚筒不仅受到钻柱的拉力，

4、还受到盘刹的最大制动力矩Mｍａｘ。最大钩载时作用在滚筒体上的外压力P１为：１２Pｍａｘ＝D筒・・P１．（１）ΔA其中：Pｍａｘ为最大快绳拉力，Pｍａｘ＝３４０ｋＮ；D筒为滚筒直径，D筒＝０．６８５ｍ；为钢丝绳直径与排绳间隙之Δ图２滚筒体形变云图和，＝０．０３７ｍ；A为多层缠绕经验系数，取A＝２。Δ为了保证绞车零部件拥有足够的强度，根据将相关数值代入式（１）计算得：P１＝５３．６６ＭＰａ。ＶｏｎＭｉｓｅｓ-Ｈｅｎｃｋｙ理论，其在载荷条件下的工作应力滚筒轴承受的最大扭矩M扭为：不能超过最大许用应力ａｌｌｏｗ和最大许用切应力ａｌｌｏｗ：D筒M扭＝Pｍａｘ・．（２）s２ａｌｌｏｗ＝．

5、（４）S将相关数值代入式（２）计算得：M扭＝１１６４５０Ｎ・ｍ。ａｌｌｏｗ＝０．５８・ａｌｌｏｗ．（５）下钻终了刹住钻柱的最大制动力矩Mｍａｘ为：扬州市２０１４国内产学研协同创新项目（２０１４-１３）收稿日期：２０１６-０２-２４；修订日期：２０１６-０７-１６作者简介：黄博文（１９９１-），男，江苏扬州人，在读硕士研究生，研究方向：机械设计制造及其自动化。２０１６年第５期机械工程与自动化・８７・其中：s为σ材料的屈服强度，ＭＰａ；S为设计安全系数。发生剪切破坏。由图１可知，滚筒体的最大Ｍｉｓｅｓ应力为３５５．８滚筒体的最大扭转变形云图如图４所示。由图４ＭＰａ，发生在两端的加

6、强筋基部。滚筒体的材料屈服可知，滚筒体最大扭转角ｍａｘ＝θ０．００００８ｒａｄ，而滚筒强度为３７０ＭＰａ，考虑到滚筒内壁即使发生局部塑性的允许扭转偏角［］＝０θ．００１ｒａｄ，所以扭转变形在允变形，滚筒仍能正常工作，从经济效益考虑，在特殊情许范围以内。［１］况下取安全系数S≥１。滚筒体的ａｌｌｏｗ＝３７０σＭＰａ＞4设计优化建议３５５．８ＭＰａ，因此滚筒体的最大Ｍｉｓｅｓ应力在许用应利用ＡＢＡＱＵＳ软件的拓扑优化模块对滚筒体进力范围之内。行优化。优化目标是应变能越小越好，重量减少由图３滚筒体的切应力云图可知，其最大扭转切应１０％，最大Ｍｉｓｅｓ应力不允许超过许用应力；几何约束

7、力ｍａｘ＝１４１．８ＭτＰａ＜ａｌｌｏｗ＝０．５８・τａｌｌｏｗ＝２１４．６ＭσＰａ，冻结区域为滚筒壁和螺栓孔。经过１０次迭代的滚筒说明滚筒受到刹车冲击载荷时，不会因为载荷过大而体最大应力云图如图５所示。图３滚筒体扭转切应力云图图４滚筒体最大扭转变形云图图５第１０次迭代优化后的滚筒体应力云图滚筒体的优化过程中最大Ｍｉｓｅｓ应力有增大的趋参考文献：势，第１０次迭代的最大Ｍｉｓｅｓ应力达到３５８．７ＭＰａ，［１］陈如恒，沈家骏．钻井机械的设计计算［Ｍ］．北京：石油工但在允许范围之内；应变能随时间步的增大而上