李碧波，張積廣，趙文華，王 靖，堯建平

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 二十二室，西安 710065）

大噸位復(fù)合加載試驗(yàn)臺(tái)中載荷框架的有限元分析

李碧波，張積廣，趙文華，王 靖，堯建平

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 二十二室，西安 710065）

以大噸位復(fù)合加載試驗(yàn)臺(tái)載荷框架中活動(dòng)加載頭為例，對(duì)其進(jìn)行了有限元計(jì)算與分析，為載荷框架主要部件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)與方法，為大噸位復(fù)合加載試驗(yàn)臺(tái)的研制奠定了基礎(chǔ)。

復(fù)合加載；載荷框架；活動(dòng)加載頭

0　引言

大噸位復(fù)合加載試驗(yàn)臺(tái)是全尺寸石油管材進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn)所必備的大型設(shè)備，該試驗(yàn)臺(tái)通過計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)協(xié)調(diào)加載，模擬油管、套管及接頭在井下可能承受的拉伸、壓縮、內(nèi)壓、外壓、彎曲載荷，以及同時(shí)可能承受的溫度等環(huán)境因素影響，檢驗(yàn)油管、套管及其連接的綜合強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，為產(chǎn)品的評(píng)價(jià)及新產(chǎn)品研發(fā)提供依據(jù)。載荷框架作為該試驗(yàn)臺(tái)中的載荷施加的主要部分，設(shè)計(jì)與制造過程對(duì)于研制的成功與否至關(guān)重要，為此，在設(shè)計(jì)過程中，通過CATIAV5R19建立實(shí)體模型，利用有限元軟件進(jìn)行分析與計(jì)算，為載荷框架的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1　工作原理

載荷框架的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由底座、固定加載頭、承力柱、載荷傳感器、作動(dòng)筒及活動(dòng)加載頭組成，工作過程是：通過作動(dòng)筒的伸縮，推動(dòng)活動(dòng)加載頭前后移動(dòng)，已實(shí)現(xiàn)給試樣（安裝在活動(dòng)加載頭與固定加載頭之間）施加軸向拉壓載荷的目的，拉向載荷：2000t，壓向載荷：1400t。

圖1　載荷框架示意圖

2　材料體系

載荷框架中的需要分析部件主要有固定加載頭、活動(dòng)加載頭，活動(dòng)加載頭與固定加載頭為作用與反作用的關(guān)系，因此在有限元分析過程中僅對(duì)活動(dòng)加載頭和承力柱進(jìn)行，其材料特性如表1所示。

表1　材料特性

3　實(shí)體及有限元模型

在設(shè)計(jì)分析過程中，對(duì)于載荷框架的主要部件固定加載頭、活動(dòng)加載頭、承力柱等利用CATIAV5R19建立實(shí)體模型，活動(dòng)加載頭的實(shí)體模型如圖2所示，利用PATRAN2006建立有限元模型如圖3所示，其中六面體實(shí)體單元17996個(gè)，有限元節(jié)點(diǎn)共21046個(gè)。

圖2　活動(dòng)加載頭實(shí)體模型

圖3　活動(dòng)加載頭有限元模型

4　邊界條件

試樣受拉工況下，活動(dòng)加載頭與試樣連接位置承受拉向載荷2000t，與承力柱連接位置承受壓向載荷2000t，在下表面施加位移約束，具體如圖4所示。

圖4　受拉工況下活動(dòng)加載頭邊界條件

在試樣受壓工況下，則相反，活動(dòng)加載頭與試樣連接位置承受壓向載荷1400t，與立柱連接位置承受壓向載荷1400t，在下表面施加位移約束，具體如圖5所示。

圖5　受壓工況下活動(dòng)加載頭邊界條件

5　計(jì)算分析

利用MSC公司MD R2 Nastran 2006版對(duì)有限元模型在進(jìn)行了計(jì)算，受壓與受壓工況下計(jì)算應(yīng)力與位移云圖如圖6和圖7所示，可以看出，活動(dòng)加載頭在受拉與受壓兩種工況下，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力達(dá)到了74.2MPa，最大位置為上邊銷軸孔的邊緣處，低于材料的sσ=460MPa，安全系數(shù)。

圖6　受拉工況下活動(dòng)加載頭應(yīng)力與位移云圖

圖7　受壓工況下活動(dòng)加載頭應(yīng)力與位移云圖

6　結(jié)論

如上所述，對(duì)于載荷框架中的主要部件，建立實(shí)體模型，利用有限元進(jìn)行計(jì)算與分析，活動(dòng)加載頭的強(qiáng)度與剛度滿足設(shè)計(jì)需求，為載荷框架的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，為復(fù)合加載試驗(yàn)臺(tái)的成功研制奠定基礎(chǔ)。

[1] 成大先,等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.

[2] 邱宣懷,等.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].4版.北京：高等教育出版社,1997.

[3] 孫桓,陳作模.機(jī)械原理[M].5版.北京：高等教育出版社,1996.

The fi nite element analysis of load-framework in the combined loading test bed with large-tonnage

LI Bi-bo, ZHANG Ji-guang, ZHAO Wen-hua, WANG Jing, YAO Jian-ping

TH122

A

1009-0134(2016)07-0101-03

2016-04-19

李碧波（1984 -），男，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)榉菢?biāo)機(jī)械設(shè)計(jì)（復(fù)合加載試驗(yàn)臺(tái)）。