基于有限元法的折臂抓管機(jī)機(jī)械臂應(yīng)力分析及評(píng)定
2017-5-16 來(lái)源：沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 作者：高世卿 李慶杰 謝 冰 皮景峰 胡 帥
摘要: 折臂抓管機(jī)是深海鉆機(jī)管處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，文中利用 Ansys 軟件建立了折臂抓管機(jī)機(jī)械臂的有限元模型，通過(guò)計(jì)算得到模型的應(yīng)力大小和分布，根據(jù)應(yīng)力線性化原理提取了關(guān)鍵部位的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)行分類識(shí)別、提取和評(píng)定，給出了應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果，為此類非標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)力計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。
關(guān)鍵詞: 折臂抓管機(jī); 應(yīng)力線性化; 應(yīng)力評(píng)定; 有限元分析
0.前言
在深水及超深水海域的勘探開(kāi)發(fā)中，折臂抓管機(jī)將鉆桿堆場(chǎng)中水平放置的鉆桿移運(yùn)到井口，并翻轉(zhuǎn)為豎直狀態(tài)，或者將井口上方拆卸下的豎直鉆桿，翻轉(zhuǎn)并移運(yùn)到鉆桿堆場(chǎng)，其在鉆機(jī)管處理系統(tǒng)中起著非常重要的作用［1］，未來(lái)在石化行業(yè)中的使用會(huì)日益廣泛。但同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)的非標(biāo)準(zhǔn)化，在對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析和安全評(píng)定時(shí)，某些結(jié)構(gòu)無(wú)法用強(qiáng)制性的準(zhǔn)則來(lái)計(jì)算而只能參照現(xiàn)有準(zhǔn)則通過(guò)簡(jiǎn)化、當(dāng)量化等手段來(lái)進(jìn)行計(jì)算［2］，所以其結(jié)構(gòu)的合理性和使用的安全性也越來(lái)越受到關(guān)注。
本文利用 Ansys 對(duì)折臂抓管機(jī)的機(jī)械臂進(jìn)行有限元分析，根據(jù)應(yīng)力線性化原理對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定，該校核方法為此類非標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)力計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。
1.折臂抓管機(jī)結(jié)構(gòu)原理
折臂抓管機(jī)作為鉆機(jī)管處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，通常由基座、轉(zhuǎn)臺(tái)、機(jī)械臂及抓管軛 4 部分組成。圖 1 為抓管機(jī)機(jī)構(gòu)原理圖，顯示了折臂抓管機(jī)完全伸展、工作及完全縮回等狀態(tài)。機(jī)械臂位于基座與抓管軛之間，是折臂抓管機(jī)執(zhí)行動(dòng)作和承受載荷的主要構(gòu)件，對(duì)結(jié)構(gòu)的合理性與安全性有重要作用。本文以折臂抓管機(jī)的內(nèi)臂為例進(jìn)行計(jì)算分析，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
本文以折臂抓管機(jī)的內(nèi)臂為例進(jìn)行計(jì)算分析，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。對(duì)折臂抓管機(jī)進(jìn)行受力分析，如圖 3 所示。
折臂抓管機(jī)機(jī)械臂的材料為 HG785E，有關(guān)參數(shù)如表 1 所示。
表 1 材料的物理和力學(xué)參數(shù)
2.數(shù)值模型和計(jì)算結(jié)果
2. 1 模型簡(jiǎn)化
由于該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)是沿著中間面對(duì)稱的，而且約束和載荷也是沿中間面對(duì)稱的，因此，可以對(duì)機(jī)械臂沿中間面分開(kāi)的 1 /2 結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，在不影響計(jì)算精度與結(jié)果的同時(shí)又可節(jié)省計(jì)算時(shí)間與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。
2. 2 網(wǎng)格劃分
本文采用 Solid 95 單元對(duì)模型進(jìn)行劃分，如圖 4 所示，在應(yīng)力集中處進(jìn)行單元細(xì)化，以提高計(jì)算精度。
2. 3 施加載荷和約束
由于將模型簡(jiǎn)化為實(shí)際模型的 1 /2 進(jìn)行計(jì)算，所以在對(duì)稱邊界上加載對(duì)稱位移約束。機(jī)械臂在不同工作姿態(tài)情況下所受的力是不同的，這里選用載荷為 37. 5 k N、夾鉗工作位置在水平方向和垂直方向分別為 10 m 和 4. 5 m 的姿態(tài)時(shí)對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行分析，經(jīng)計(jì)算得出各桿受力 F1= 242. 757 k N、F2= 532. 613 k N、F3= 465. 219 k N。對(duì)模型進(jìn)行約束，將各鉸接孔加載相應(yīng)的作用力，并且加載模型自身的重力。
2. 4 計(jì)算結(jié)果及分析
通過(guò)計(jì)算得出模型的應(yīng)力分布情況，如圖 5所示。其中最大應(yīng)力分布在耳板與機(jī)械臂底板連接處，該部分具體應(yīng)力分布如圖 5c 所示。
圖 5 應(yīng)力分布圖
3.應(yīng)力評(píng)定
3. 1 應(yīng)力線性化原理
抓管機(jī)在工作過(guò)程中，由載荷或者約束產(chǎn)生的應(yīng)力種類很多，根據(jù)這些應(yīng)力在抓管機(jī)的失效過(guò)程中所產(chǎn)生的作用程度不同需要將這些應(yīng)力進(jìn)行分類。基于合力等效和合力矩等效的基本原理，Kroenke 等［3］提出了從計(jì)算應(yīng)力中分解出薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的有效方法，簡(jiǎn)稱為應(yīng)力等效線性化處理。所謂等效線性化處理就是把計(jì)算應(yīng)力分布曲線根據(jù)靜力等效的原理分解成 3 個(gè)部分: 1) 與合力等效的、沿截面厚度 ( 或沿應(yīng)力分類線 SCL)均勻分布的薄膜應(yīng)力; 2) 與合力矩等效的、沿截面厚度 ( 或 SCL) 線性分布的彎曲應(yīng)力; 3) 合力和合力矩均為零的、沿截面厚度 ( 或 SCL) 非線性分布的峰值應(yīng)力。薄膜應(yīng)力存在于整個(gè)設(shè)備范圍之中，所以它對(duì)罐體的失效危害程度是最大的。一次薄膜應(yīng)力對(duì)于機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的影響只存在于局部結(jié)構(gòu)中，并且其存在于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)處，會(huì)導(dǎo)致邊緣應(yīng)力的存在。彎曲應(yīng)力是沿著厚度方向呈線性分布的，它的危害性比一次薄膜應(yīng)力要小。但是在設(shè)備的工作過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)拉彎組合應(yīng)力。取相應(yīng)應(yīng)力的校核準(zhǔn)則如下［4］
Ansys 分析時(shí)，通過(guò)設(shè)置路徑來(lái)確定典型的評(píng)定截面。首先查找顯示在應(yīng)力強(qiáng)度云圖上的高應(yīng)力強(qiáng)度區(qū)域，且在結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位選取內(nèi)外壁上相對(duì)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，設(shè)置貫穿壁厚的路徑，將數(shù)據(jù) 映 射 在 路徑上，對(duì)路徑再進(jìn)行線性化處理。3. 2 路徑 1 強(qiáng)度評(píng)定路徑 1 為耳板與機(jī)械臂底板連接處，屬于局部位置。選擇最大的應(yīng)力強(qiáng)度對(duì)路徑進(jìn)行線性化處理，總應(yīng)力、薄膜應(yīng)力、薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力的線性化結(jié)果如圖 6 所示。評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表 2。
表 2 路徑 1 上應(yīng)力線性化結(jié)果強(qiáng)度評(píng)定
3. 3 路徑 2
強(qiáng)度評(píng)定路徑 2 為機(jī)械臂底板上耳板與底板連接處附近的位置。總應(yīng)力線性化處理后，總應(yīng)力、薄膜應(yīng)力、薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力的線性化結(jié)果如圖 7所示。評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表 3。
表 3 路徑 2 上應(yīng)力線性化結(jié)果強(qiáng)度評(píng)定
3. 4 路徑 3
強(qiáng)度評(píng)定路徑 3 為機(jī)械臂上蓋板應(yīng)力最大處。總應(yīng)力線性化處理后，總應(yīng)力、薄膜應(yīng)力、薄膜應(yīng)力加彎曲應(yīng)力的線性化結(jié)果如圖 8 所示。評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表 4。
表 4 路徑 3 上應(yīng)力線性化結(jié)果強(qiáng)度評(píng)定
4.結(jié)論
利用 Ansys 軟件建立了折臂抓管機(jī)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過(guò)有限元分析得到應(yīng)力分布和大小，最大應(yīng)力分布在耳板與機(jī)械臂底板連接處，其中最大應(yīng)力達(dá)到 462 MPa。截取關(guān)鍵部位的 3 路徑進(jìn)行了應(yīng)力等效線性化處理及應(yīng)力評(píng)定，評(píng)定結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂滿足強(qiáng)度要求。該方法為此類非標(biāo)準(zhǔn)件的應(yīng)力計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。
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