郭銀賽，張 毅，程明科

( 西京學(xué)院 研究生部，西安 710123)

0 引言

扶正器（如圖1所示），作為一種重要的固井工具，安裝在石油取芯鉆具的外筒上,其可提高外筒和鉆頭工作的穩(wěn)定性，并有利于工作時(shí)防斜對(duì)中。扶正器的主要作用是傳遞和承受鉆壓，并帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)，保護(hù)內(nèi)巖心筒。

圖1 扶正器實(shí)物圖

由于石油取芯鉆具工作條件十分惡劣,受力情況非常復(fù)雜，扶正器外管損壞相當(dāng)嚴(yán)重，并且大部分外管的失效部位都是在接頭螺紋上[1,2]，如何來(lái)選擇合理的扶正器的螺紋結(jié)構(gòu)幾何參數(shù), 進(jìn)而來(lái)提高螺紋連接的剛度及強(qiáng)度, 具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

因此，本文針對(duì)某型號(hào)扶正器特殊梯形螺紋接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了仿真、分析和研究。

1 螺紋接頭的有限元分析

1.1 有限元模型建立

扶正器螺紋接頭的螺旋升角對(duì)載荷沿螺紋牙分布的影響很小，可忽略不計(jì)，因此可將其作為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理[3]。模型可簡(jiǎn)化為二維模型進(jìn)行仿真分析。

該扶正器的螺紋結(jié)構(gòu)是一種特殊的非標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋。依據(jù)螺紋結(jié)構(gòu)CAD圖紙，準(zhǔn)確計(jì)算出模型中每個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)值，編寫(xiě)相應(yīng)的APDL語(yǔ)言，進(jìn)而建立連接螺紋的二維幾何模型，如圖2所示。

圖2 連接螺紋的二維幾何模型

扶正器材料為45CrNiMoVA，系各項(xiàng)同性彈塑性材料，彈性模量為2.14×105MPa，泊松比為0.29，材料的屈服極限為1330MPa，材料摩擦系數(shù)為0.1。選擇單元類(lèi)型為8節(jié)點(diǎn)平面軸對(duì)稱(chēng)單元PLANE82，CONTA171（單元類(lèi)型參考號(hào)）[4]。對(duì)模型進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，單元邊長(zhǎng)為1mm。節(jié)點(diǎn)數(shù)為5944，單元數(shù)為1778。如圖3所示為連接螺紋的有限元模型。

圖3 連接螺紋的有限元模型

1.2 載荷加載及邊界條件的設(shè)定

已知螺紋接頭受到10kNM的工作扭矩和70kN的軸向外載荷壓力，通過(guò)計(jì)算分析，將上述兩種載荷轉(zhuǎn)化為可加載到有限元模型上的均布載荷[5]。螺紋接頭的力學(xué)計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 力學(xué)計(jì)算模型

在ANSYS軟件中左端施加位移固定約束，右端施加經(jīng)計(jì)算得到的均布載荷。接觸對(duì)的設(shè)置：臺(tái)肩2對(duì)接觸對(duì)，螺紋的接觸面15對(duì)接觸對(duì)，一共17對(duì)接觸對(duì)[6]。如圖5為有限元模型的載荷施加示意圖。

圖5 載荷施加示意圖

1.3 有限元結(jié)果分析

利用ANSYS對(duì)連接螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性接觸有限元分析，螺紋接頭的合位移以及Von Mises應(yīng)力等值線圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 合位移等值線圖

圖7 Von Mises應(yīng)力等值線圖

由圖6可知最大合位移出現(xiàn)在母螺紋接頭的最右端（右端臺(tái)肩區(qū)域處），數(shù)值為1.303mm，從整體變形情況可以看出公螺紋接頭所受到的變形量要稍大于母螺紋接頭所受的變形量；由圖7可知，最大等效應(yīng)力是1052MPa，出現(xiàn)在左臺(tái)肩標(biāo)有MX的區(qū)域處，這主要是應(yīng)力集中造成的。從整體螺紋接頭受力情況可以看出與其他部位相比，螺紋牙根部的等效應(yīng)力較大，且右端第一個(gè)螺紋牙處更容易發(fā)生斷裂等失效現(xiàn)象[7]。

從圖6和圖7可以看出在已知載荷受力情況下螺紋接頭所受的變形量和應(yīng)力相對(duì)而言都比較大，其力學(xué)性能（密封與承載性能）較差。在惡劣的工作條件下，其螺紋接頭失效的可能性較大。從側(cè)面說(shuō)明了原螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，有必要對(duì)原螺紋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，遴選出對(duì)其力學(xué)性能影響較大的一些參數(shù)，對(duì)相關(guān)參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)選，在此基礎(chǔ)上，將螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 螺紋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

本文采用仿真實(shí)驗(yàn)的方法，通過(guò)將改變螺紋結(jié)構(gòu)中某個(gè)參數(shù)值得到的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證各個(gè)參數(shù)與螺紋剛度強(qiáng)度的關(guān)系。

主要對(duì)以下7個(gè)參數(shù)進(jìn)行改變：牙數(shù)、牙型角、牙齒高、螺距、螺紋錐度、左右端基面距、螺紋直徑。需要說(shuō)明的是本文中的螺紋接頭是一種特殊的非標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋結(jié)構(gòu)，以上7個(gè)參數(shù)值的改變都是在考慮了螺紋結(jié)構(gòu)加工工藝的前提下進(jìn)行的。

由上述有限元分析結(jié)果可知：原螺紋接頭受到1.303mm的最大合位移以及1052MPa的最大等效應(yīng)力，原螺紋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 原螺紋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 改變螺紋牙數(shù)的仿真結(jié)果對(duì)比

表3 改變螺紋牙齒高的仿真結(jié)果對(duì)比

表4 改變螺紋牙型角的仿真結(jié)果對(duì)比

表5 改變螺紋錐度的仿真結(jié)果對(duì)比

表6 改變螺距的仿真結(jié)果對(duì)比

表7 改變螺紋直徑的仿真結(jié)果對(duì)比

表8 改變左右端基面距的仿真結(jié)果對(duì)比

由表1～表8可知，影響螺紋接頭力學(xué)性能（密封與承載性能）較大的因素有：螺紋的錐度、螺距、螺紋直徑和基面距。與以上四個(gè)參數(shù)相比而言，螺紋接頭的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)（牙型角、牙數(shù)、齒高）對(duì)于螺紋性能的影響較小。

3 螺紋結(jié)構(gòu)的重構(gòu)設(shè)計(jì)

在保持牙型角、牙數(shù)、齒高這些影響因素小的參數(shù)不變的情況下，分別選取螺紋錐度、螺距、螺紋直徑、左右端基面距等四個(gè)參數(shù)的最優(yōu)值（如表5～表8所示），即1:16、7.466、-1、-3。每個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)有兩種選擇值（原始值、最優(yōu)值），則總共有16個(gè)改進(jìn)方案。

在相同載荷受力的情況下再次利用ANSYS軟件對(duì)這16個(gè)改進(jìn)方案分別進(jìn)行有限元仿真分析，通過(guò)仿真分析結(jié)果對(duì)比，得出1個(gè)可供選擇的最佳方案。其方案的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表9所示。

表9 最佳方案的結(jié)構(gòu)參數(shù)

最佳方案的螺紋接頭的合位移以及Von Mises應(yīng)力等值線圖分別為圖8和圖9所示。

圖8 合位移等值線圖

圖9 Von Mises應(yīng)力等值線圖

由圖6～圖9可以看出優(yōu)化前后的螺紋接頭受力分布情況基本類(lèi)似。原結(jié)構(gòu)方案與最佳方案的螺紋接頭的力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比如表10所示。

表10 優(yōu)化前后螺紋接頭力學(xué)性能的比較

由表10可以看出螺紋接頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，其力學(xué)性能得到了極大程度地提高，其抗失效能力得到了很好地增強(qiáng)，在惡劣的工作環(huán)境下螺紋接頭失效的可能性將會(huì)大大地降低。

4 結(jié)論

1）在ANSYS平臺(tái)上對(duì)某型號(hào)扶正器的特殊連接螺紋進(jìn)行了接觸非線性有限元分析，識(shí)別出了原螺紋結(jié)構(gòu)存在較大的缺陷。

2）通過(guò)改變?cè)菪温菁y的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行大量的仿真分析對(duì)比，可知相較于其他螺紋參數(shù)，螺紋錐度、螺距、螺紋直徑、基面距是影響螺紋接頭力學(xué)性能（密封與承載性能）較大的四個(gè)因素。

3）在上述結(jié)論的基礎(chǔ)上，對(duì)原螺紋進(jìn)行重構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，選出了一個(gè)最佳螺紋接頭結(jié)構(gòu)方案。優(yōu)化后的新螺紋接頭的力學(xué)性能得到了極大程度地提高，取得了良好的優(yōu)化效果。同時(shí)本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)類(lèi)似結(jié)構(gòu)件的改進(jìn)有一定的參考意義。

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