易文君 羅 權(quán) 賀 琨

（1．長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023；2．武漢鋼鐵〈集團(tuán)〉公司能源動(dòng)力總廠供水廠，湖北 武漢 430080）

0 引言

石油機(jī)械產(chǎn)品在中國(guó)經(jīng)歷了從無(wú)到有，從引進(jìn)到自主研發(fā)創(chuàng)新的過(guò)程[1]。力學(xué)分析作為有效的結(jié)構(gòu)受力情況及機(jī)械效率分析方法，隨著石油機(jī)械的不斷發(fā)展，開(kāi)始廣泛應(yīng)用于石油機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研究等工作中。然而，鉆采機(jī)械設(shè)備均為大型機(jī)械，在工作中承受較大力的作用，采用傳統(tǒng)的解析方法需要對(duì)石油構(gòu)件進(jìn)行大幅度簡(jiǎn)化處理，導(dǎo)致誤差較大，得不到滿意的結(jié)果[2]。因此，對(duì)于這些邊界條件及結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則的復(fù)雜問(wèn)題，采用有限元法進(jìn)行分析，分析結(jié)果才更為有效和精確。

1 石油機(jī)械有限元分析的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

目前，有限元分析方法作為一種最有效的數(shù)值方法，在石油機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛、深入的應(yīng)用。采用有限元方法對(duì)石油機(jī)械設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力學(xué)分析和穩(wěn)定性分析，包括彈性、塑性和各類非線性分析，都取得了較好的效果，為石油機(jī)械設(shè)計(jì)的完善與優(yōu)化提供了可靠的理論依據(jù)，推動(dòng)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)在石油機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用[2]。在鉆井設(shè)備方面，有限元法不僅廣泛應(yīng)用于大鉤、井架、底架、鉆井泵等常規(guī)鉆井機(jī)零部件，在空氣鉆井等特殊鉆井技術(shù)上，有限元方法也有廣泛應(yīng)用。在采油設(shè)備領(lǐng)域，對(duì)于采油螺桿泵、采油井口裝置、抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)、抽油機(jī)井架等的有限元分析均取得了一定成果。此外，有限元方法開(kāi)始應(yīng)用于采油平臺(tái)抗震分析，找出采油平臺(tái)抗震的薄弱環(huán)節(jié)，效率高且節(jié)省資金。

最初石油機(jī)械零件的有限元分析多局限于平面模型，只有少部分的研究是基于立體模型。實(shí)踐證明選用立體模型能更真實(shí)地模擬零件的結(jié)構(gòu)和工況，能夠保證計(jì)算結(jié)果的正確性及可靠性[3]。這在連桿類零件及螺桿泵有限元計(jì)算中得到有力證實(shí)。因此，發(fā)展至今，有限元在石油機(jī)械上的應(yīng)用已由二維的問(wèn)題擴(kuò)展到三維問(wèn)題、板殼問(wèn)題，為石油鉆采機(jī)械設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化提供了可靠的理論依據(jù)。

在石油機(jī)械零部件有限元分析中，靜力學(xué)分析作為有限元分析最基本最常用的分析類型，通常用在當(dāng)作用在零部件上的載荷不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化極其緩慢的情況下。但是，多數(shù)石油鉆采設(shè)備具有復(fù)雜的載荷工況，不但要考慮靜強(qiáng)度準(zhǔn)則，還應(yīng)考慮其動(dòng)態(tài)性能。鉆機(jī)底架受到靜態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷作用，需要對(duì)底架進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，分析結(jié)果可為底架的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。此外，采用有限元模態(tài)計(jì)算中的幾種提取模態(tài)的方法，對(duì)底架模型進(jìn)行理論模態(tài)分析，得出底架的動(dòng)態(tài)特性，為進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)[4]。以前對(duì)抽油機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力及應(yīng)力分析，忽略了彈性變形的影響，認(rèn)為每個(gè)桿的運(yùn)動(dòng)是剛性運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榭紤]彈性變形就意味著更復(fù)雜的計(jì)算。采用有限元法后，可用有限元法建立抽油機(jī)的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力方程，方程加入了彈性變形的影響，因此進(jìn)行的抽油機(jī)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)分析更接近實(shí)際工況，能更好地反映設(shè)計(jì)工作中面臨的問(wèn)題[5]。使用有限元方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，這對(duì)于全面了解研究對(duì)象的動(dòng)剛度分布，發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，延長(zhǎng)使用壽命是非常有益的。

在有限元中，非線性包括狀態(tài)非線性，幾何非線性以及材料非線性。接觸分析用于分析兩個(gè)零部件發(fā)生接觸時(shí)的接觸面狀態(tài)和法向力等，是一種狀態(tài)非線性分析。由于石油機(jī)械設(shè)備中結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間力的傳遞都是通過(guò)接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以接觸分析被較多地應(yīng)用在石油機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元分析中。對(duì)鉆井大鉤，以彈性體接觸理論為基礎(chǔ)，需要對(duì)鉤體進(jìn)行接觸有限元分析。結(jié)果是用接觸分析能更準(zhǔn)確地反映鉤體的應(yīng)力和應(yīng)變，有利于對(duì)鉤體結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，應(yīng)用有限元法還能夠在虛擬條件下預(yù)先對(duì)最大工作載荷和最大實(shí)驗(yàn)載荷條件下的強(qiáng)度進(jìn)行校核[6]。接觸問(wèn)題時(shí)常還伴隨有幾何非線性、材料非線性等問(wèn)題。例如采用彈塑性接觸有限元混合法對(duì)石油鉆桿連接螺紋進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，求聯(lián)接狀態(tài)下由預(yù)緊力及軸力和內(nèi)壓引起的螺紋聯(lián)接部位的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，分析其承載性能及密封性能[7]。

鉆井馬達(dá)和抽油機(jī)電機(jī)為石油鉆采的實(shí)現(xiàn)提供了重要的動(dòng)力源。電機(jī)溫度分布不均勻?qū)?huì)導(dǎo)致局部溫度過(guò)高，電機(jī)安全運(yùn)行無(wú)法得到保障；而且在瞬態(tài)過(guò)程中，電機(jī)的端部繞組會(huì)被巨大的電磁力所損壞。為了對(duì)這些不良現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)和防止，需要進(jìn)行電磁場(chǎng)的計(jì)算[8]。近年來(lái)，有限元法在石油機(jī)械裝備上的應(yīng)用從固體力學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域，成為計(jì)算電磁場(chǎng)的一種有力工具，為鉆井馬達(dá)及抽油機(jī)電機(jī)的安全運(yùn)行提供了有力保證。

在2000年以前，有限元建模只能對(duì)單個(gè)物理場(chǎng)進(jìn)行模擬。現(xiàn)在，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)產(chǎn)生了更簡(jiǎn)潔快速的算法，發(fā)展出了更強(qiáng)勁的硬件配置，使得對(duì)多物理場(chǎng)的有限元模擬成為可能。在石油鉆采現(xiàn)場(chǎng)，常存在多物理場(chǎng)的影響，需要對(duì)多物理場(chǎng)進(jìn)行有限元模擬。例如當(dāng)氣流流過(guò)1個(gè)很高井架，井架會(huì)發(fā)生變形，變形又反過(guò)來(lái)影響氣流的流動(dòng)，這就需要用到結(jié)構(gòu)-流體耦合分析。

2 結(jié)論

有限元法在石油鉆采機(jī)械上的應(yīng)用，從最初應(yīng)用在求解結(jié)構(gòu)的平面問(wèn)題上，發(fā)展至今，已由二維問(wèn)題擴(kuò)展到三維問(wèn)題、板殼問(wèn)題，由靜力學(xué)問(wèn)題擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)問(wèn)題；由線性問(wèn)題擴(kuò)展到非線性問(wèn)題；由彈性材料擴(kuò)展到彈塑性、塑性、粘彈性和復(fù)合材料；由單一物理場(chǎng)的求解擴(kuò)展到多物理場(chǎng)的耦合。其應(yīng)用的深度和廣度都得到了極大的發(fā)展。有限元法為石油機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)與創(chuàng)新節(jié)約了大量的人力物力，也為設(shè)計(jì)計(jì)算提供了更加準(zhǔn)確的計(jì)算。隨著有限元分析的發(fā)展，現(xiàn)在和將來(lái)有限元分析對(duì)石油機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新與發(fā)展仍具有重要的推動(dòng)作用。

［1］李士斌，何軍國(guó).力學(xué)分析在石油機(jī)械產(chǎn)品中的應(yīng)用[J].內(nèi)江科技，2008，11.

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