基于有限元法的折臂抓管機機械臂應力分析及評定
2017-5-16 來源：沈陽新松機器人自動化股份有限公司 作者：高世卿 李慶杰 謝 冰 皮景峰 胡 帥
摘要: 折臂抓管機是深海鉆機管處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設備，文中利用 Ansys 軟件建立了折臂抓管機機械臂的有限元模型，通過計算得到模型的應力大小和分布，根據(jù)應力線性化原理提取了關(guān)鍵部位的應力狀態(tài)，進行分類識別、提取和評定，給出了應力強度評定結(jié)果，為此類非標準件的應力計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。
關(guān)鍵詞: 折臂抓管機; 應力線性化; 應力評定; 有限元分析
0.前言
在深水及超深水海域的勘探開發(fā)中，折臂抓管機將鉆桿堆場中水平放置的鉆桿移運到井口，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)并移運到鉆桿堆場，其在鉆機管處理系統(tǒng)中起著非常重要的作用［1］，未來在石化行業(yè)中的使用會日益廣泛。但同時由于其結(jié)構(gòu)的非標準化，在對其進行應力分析和安全評定時，某些結(jié)構(gòu)無法用強制性的準則來計算而只能參照現(xiàn)有準則通過簡化、當量化等手段來進行計算［2］，所以其結(jié)構(gòu)的合理性和使用的安全性也越來越受到關(guān)注。
本文利用 Ansys 對折臂抓管機的機械臂進行有限元分析，根據(jù)應力線性化原理對其進行應力強度評定，該校核方法為此類非標準件的應力計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。
1.折臂抓管機結(jié)構(gòu)原理
折臂抓管機作為鉆機管處理系統(tǒng)的關(guān)鍵設備，通常由基座、轉(zhuǎn)臺、機械臂及抓管軛 4 部分組成。圖 1 為抓管機機構(gòu)原理圖，顯示了折臂抓管機完全伸展、工作及完全縮回等狀態(tài)。機械臂位于基座與抓管軛之間，是折臂抓管機執(zhí)行動作和承受載荷的主要構(gòu)件，對結(jié)構(gòu)的合理性與安全性有重要作用。本文以折臂抓管機的內(nèi)臂為例進行計算分析，機械臂結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
本文以折臂抓管機的內(nèi)臂為例進行計算分析，機械臂結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。對折臂抓管機進行受力分析，如圖 3 所示。
折臂抓管機機械臂的材料為 HG785E，有關(guān)參數(shù)如表 1 所示。
表 1 材料的物理和力學參數(shù)
2.數(shù)值模型和計算結(jié)果
2. 1 模型簡化
由于該機械臂結(jié)構(gòu)是沿著中間面對稱的，而且約束和載荷也是沿中間面對稱的，因此，可以對機械臂沿中間面分開的 1 /2 結(jié)構(gòu)進行分析，在不影響計算精度與結(jié)果的同時又可節(jié)省計算時間與數(shù)據(jù)存儲空間。
2. 2 網(wǎng)格劃分
本文采用 Solid 95 單元對模型進行劃分，如圖 4 所示，在應力集中處進行單元細化，以提高計算精度。
2. 3 施加載荷和約束
由于將模型簡化為實際模型的 1 /2 進行計算，所以在對稱邊界上加載對稱位移約束。機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)時對機械臂進行分析，經(jīng)計算得出各桿受力 F1= 242. 757 k N、F2= 532. 613 k N、F3= 465. 219 k N。對模型進行約束，將各鉸接孔加載相應的作用力，并且加載模型自身的重力。
2. 4 計算結(jié)果及分析
通過計算得出模型的應力分布情況，如圖 5所示。其中最大應力分布在耳板與機械臂底板連接處，該部分具體應力分布如圖 5c 所示。
圖 5 應力分布圖
3.應力評定
3. 1 應力線性化原理
抓管機在工作過程中，由載荷或者約束產(chǎn)生的應力種類很多，根據(jù)這些應力在抓管機的失效過程中所產(chǎn)生的作用程度不同需要將這些應力進行分類。基于合力等效和合力矩等效的基本原理，Kroenke 等［3］提出了從計算應力中分解出薄膜應力和彎曲應力的有效方法，簡稱為應力等效線性化處理。所謂等效線性化處理就是把計算應力分布曲線根據(jù)靜力等效的原理分解成 3 個部分: 1) 與合力等效的、沿截面厚度 ( 或沿應力分類線 SCL)均勻分布的薄膜應力; 2) 與合力矩等效的、沿截面厚度 ( 或 SCL) 線性分布的彎曲應力; 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力。薄膜應力存在于整個設備范圍之中，所以它對罐體的失效危害程度是最大的。一次薄膜應力對于機械臂結(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，會導致邊緣應力的存在。彎曲應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力要小。但是在設備的工作過程中，會出現(xiàn)拉彎組合應力。取相應應力的校核準則如下［4］
Ansys 分析時，通過設置路徑來確定典型的評定截面。首先查找顯示在應力強度云圖上的高應力強度區(qū)域，且在結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位選取內(nèi)外壁上相對的兩個節(jié)點，設置貫穿壁厚的路徑，將數(shù)據(jù) 映 射 在 路徑上，對路徑再進行線性化處理。3. 2 路徑 1 強度評定路徑 1 為耳板與機械臂底板連接處，屬于局部位置。選擇最大的應力強度對路徑進行線性化處理，總應力、薄膜應力、薄膜應力加彎曲應力的線性化結(jié)果如圖 6 所示。評定結(jié)果見表 2。
表 2 路徑 1 上應力線性化結(jié)果強度評定
3. 3 路徑 2
強度評定路徑 2 為機械臂底板上耳板與底板連接處附近的位置。總應力線性化處理后，總應力、薄膜應力、薄膜應力加彎曲應力的線性化結(jié)果如圖 7所示。評定結(jié)果見表 3。
表 3 路徑 2 上應力線性化結(jié)果強度評定
3. 4 路徑 3
強度評定路徑 3 為機械臂上蓋板應力最大處。總應力線性化處理后，總應力、薄膜應力、薄膜應力加彎曲應力的線性化結(jié)果如圖 8 所示。評定結(jié)果見表 4。
表 4 路徑 3 上應力線性化結(jié)果強度評定
4.結(jié)論
利用 Ansys 軟件建立了折臂抓管機機械臂結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過有限元分析得到應力分布和大小，最大應力分布在耳板與機械臂底板連接處，其中最大應力達到 462 MPa。截取關(guān)鍵部位的 3 路徑進行了應力等效線性化處理及應力評定，評定結(jié)果表明所設計的機械臂滿足強度要求。該方法為此類非標準件的應力計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。
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