论文部分内容阅读
摘 要：现阶段部分石油钻采机械为适应复杂的载荷工矿和恶劣的工作环境，这种石油钻采机械在内部结构上与普通石油钻采机械在结构上相对较为复杂，所以在石油钻采机械设计、研究过程中需要对内部结构进行仔细分析，这样才能确保石油钻采机械在恶劣的工作环境下正常进行石油钻采作业。石油钻采机械的空压机、防喷器壳体、往复泵泵头、曲轴以及连杆的强度问题，一直是石油钻采机械设计与研究过程中面临的主要问题，传统材料力学和弹性力学的计算方法一般存在较大误差，这对石油钻采机械连杆类零件设计带来很多影响。本文运用有限元算法对石油钻采机械连杆类零件进行计算，力求通过有限元算法更好的完成石油钻采机械连杆累零件的设计与研究。
关键词：石油机械；连杆类零件；有限元分析；
中图分类号：TE9 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-07-00-02
石油机械连杆类零件传统算法所获得的结果存在很多误差，这对石油机械连杆类零件的设计与研究带来很多不良影响，同时也在一定程度上限制了石油机械在新时期的创新与发展，为了更好的解决石油机械连杆类零件的设计与研究工作质量，本文运用有限元算法对石油机械连杆类零件力学和弹性力学进行计算。现阶段有限元算法对石油机械连杆类零件可以进行强度、刚度以及稳定性分析，同时也可以对石油机械连杆类零件进行弹性、塑性以及各类非线性分析，同时有限元算法所计算出结果与传统算法计算结果相比具有很高的准确性，为石油钻采机械连杆类零件的设计与研究有着重要作用。
一、三维有限元分析模型
现阶段连杆类零件在石油钻采机械中的应用十分广泛，连杆类零件的质量会直接影响到石油钻采机械的整体工作效率，所以石油机械制造产业在发展中要对连杆类零件的设计进行缜密计算与分析，要求连杆类零件在可以满足石油机械正常工作的基础上，提高石油钻采机械在各种环境中的使用效率与使用寿命。钻井泵连杆、空压机连杆以及柴油机连杆是石油钻采机械中的重要组成部分，其整体质量会直接影响到石油钻采机械在使用中的作业效率，由于连杆类零件在使用中所承受的负荷都是来自于其中心平面，所以在针对石油机械连杆类零件分析计算中要将其作为平面应力问题进行处理。石油钻采机械连杆类零件在使用中会受到三个应力分量的影响，同时平面内对连杆类零件另外三个应力分量则是沿厚度常数，这要求我们在构建位移函数过程中只需要考虑沿x、y方向的位移分量，而且我们再位移函数计算过程中可以将这些位移分量数值假定为x、y的函数。本文针对石油机械连杆类零件算法的简化可以缩小有限元算法的解题规模，同时与传统算法相比在很大程度上减少了准备的工作量，对降低计算机储存量和计算时间等方面有着重要作用，同时也在很大程度上简化了石油机械连杆类零件的分析研究工作。根据弹性理论对石油机械连杆类零件平面应力分析过程中，计算模型本身必须满足弹性理论对载荷作用方向的要求，由于厚度方向的尺寸比平面两个方向的尺寸相对要小，使平面内三个应力分量沿其厚度的变化在模型分析中也相对较小，而厚度方向上的三个应力分量在模型内部也会出现为零或接近零，所以应力和位移的基本假定只有在以上这种情况下才能成立。
二、石油机械连杆类零件三维有限元计算实例分析
现阶段SAP5、SAP6、ANINA以及LISA等程序都可以运用到石油机械连杆类零件的三位有限元计算、分析过程中，而且三维有限元应力分析程序8～21节点的计算精读相对较高，因为三位有限元应力分析程序会运用21个节点构建差值函数，当3个自变量中有一个自变量数值在计算中是固定时，差值函数在计算过程中就成为另外2个自变量的双二次函数，这样可以更好的描述出石油机械连杆类零件内部位移函数的变化。
（一）计算模型和计算程序分析
本文对LGWC-20/250空气机车用的空压机连杆进行有限元分析，本文中所分析研究的空压机连杆结构如图1所示，在计算模型设计过程中不仅要考虑三维实体的要求，同时也要根据空压机连杆结构和受载特点对其进行处理，避免计算程序在分析三维实体模型过程中进行重复性计算工作。本文计算过程中取在小端孔中心左125mm位置处，将连杆从中部区域某一位置进行切断并作为零位移面，同时在截面上各节点三个坐标方向12个自由度进行约束，这样可以提高端边界峰值应力计算结果的准确性。根据连杆结构和载荷所对称的XOY平面和XOZ平面，所以我们予以位移边界条件设置为W（x，y，z=0）=0和V（x，y=0，z）=0，采用标准通用程序SAP5对LGWC-20/250空气机车用的空压机连杆进行有限元分析。为了更好的进行LGWC-20/250空气机车用的空压机连杆在不同工况下的有限元分析，本文在实际計算分析中选取最大受拉和最大受压两种工况进行计算，这样才能确保LGWC-20/250空气机车用的空压机连杆在不同工况下的实际设计要求。
图1，LGWC-20/250空气机车用的空压机连杆结构示意图
（二）计算结果分析
图2是小端外边界主应力分布和表面最大主应力分布，而且从计算结果分析中我们可以明确了解到，应力沿截面的分布从数值中可以确定是不均匀的，同时连杆内部应力在实际作业中小于边界应力，在最大受拉工况条件下杆身和小端连接处容易出现峰值应力，这是由于节点处的抗弯刚度不同以及内部截面的应力集中导致。连杆在实际作业中需要不断进行往复运动，因此连杆在实际作业中所承受的是非对称循环交变载荷，所以应该利用力学公式对连杆的疲劳强度进行校核，这样才能确保连杆结构可以承受不同工况下的非对称循环交变负荷，对提高连杆在设计中的疲劳强度有着重要的现实意义。本文通过对连杆的计算结果通过分析可以明确，三位有限元算法可以更好的计算出石油机械连杆类零件的应力数值，同时与传统计算方法相比三位有限元算法可以保证计算结果的准确性，其不仅可以为石油机械连杆类零件的设计与研究提供精确的应力应变计算结果，同时也在很大程度上简化了石油机械连杆类零件的应力计算研究工作时间。
图2，小端外边界主应力分布和表面最大主应力分布示意图
三、结束语
石油机械连杆类零件设计与研究工作过程中需要进行结构分析，传统设计计算方法一般都是材料力学和弹性力学的计算方法，无法保证石油机械连杆类零件结构应力计算结果的准确性，而有限元算法可以利用标准通用软件完成这一系列计算、分析工作，同时也可以确保石油机械连杆类零件结构应力应变计算结果的准确性，对提高石油机械在新时期的设计与研究质量、效率有着重要意义。
参考文献：
[1]郭成壁，陈全福.有限元法及其在动力机械中的应用.北京：国防工业出版社.1984
[2]王路，王尚恒.三缸单作用钻井泵连杆强度二维有限元分析.石油机械.1987
[3]周思柱，陶伦绪，党建国.石油机械连杆类零件的三维有限元分析.石油机械.2008
关键词：石油机械；连杆类零件；有限元分析；
中图分类号：TE9 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2014）-07-00-02
石油机械连杆类零件传统算法所获得的结果存在很多误差，这对石油机械连杆类零件的设计与研究带来很多不良影响，同时也在一定程度上限制了石油机械在新时期的创新与发展，为了更好的解决石油机械连杆类零件的设计与研究工作质量，本文运用有限元算法对石油机械连杆类零件力学和弹性力学进行计算。现阶段有限元算法对石油机械连杆类零件可以进行强度、刚度以及稳定性分析，同时也可以对石油机械连杆类零件进行弹性、塑性以及各类非线性分析，同时有限元算法所计算出结果与传统算法计算结果相比具有很高的准确性，为石油钻采机械连杆类零件的设计与研究有着重要作用。
一、三维有限元分析模型
现阶段连杆类零件在石油钻采机械中的应用十分广泛，连杆类零件的质量会直接影响到石油钻采机械的整体工作效率，所以石油机械制造产业在发展中要对连杆类零件的设计进行缜密计算与分析，要求连杆类零件在可以满足石油机械正常工作的基础上，提高石油钻采机械在各种环境中的使用效率与使用寿命。钻井泵连杆、空压机连杆以及柴油机连杆是石油钻采机械中的重要组成部分，其整体质量会直接影响到石油钻采机械在使用中的作业效率，由于连杆类零件在使用中所承受的负荷都是来自于其中心平面，所以在针对石油机械连杆类零件分析计算中要将其作为平面应力问题进行处理。石油钻采机械连杆类零件在使用中会受到三个应力分量的影响，同时平面内对连杆类零件另外三个应力分量则是沿厚度常数，这要求我们在构建位移函数过程中只需要考虑沿x、y方向的位移分量，而且我们再位移函数计算过程中可以将这些位移分量数值假定为x、y的函数。本文针对石油机械连杆类零件算法的简化可以缩小有限元算法的解题规模，同时与传统算法相比在很大程度上减少了准备的工作量，对降低计算机储存量和计算时间等方面有着重要作用，同时也在很大程度上简化了石油机械连杆类零件的分析研究工作。根据弹性理论对石油机械连杆类零件平面应力分析过程中，计算模型本身必须满足弹性理论对载荷作用方向的要求，由于厚度方向的尺寸比平面两个方向的尺寸相对要小，使平面内三个应力分量沿其厚度的变化在模型分析中也相对较小，而厚度方向上的三个应力分量在模型内部也会出现为零或接近零，所以应力和位移的基本假定只有在以上这种情况下才能成立。
二、石油机械连杆类零件三维有限元计算实例分析
现阶段SAP5、SAP6、ANINA以及LISA等程序都可以运用到石油机械连杆类零件的三位有限元计算、分析过程中，而且三维有限元应力分析程序8～21节点的计算精读相对较高，因为三位有限元应力分析程序会运用21个节点构建差值函数，当3个自变量中有一个自变量数值在计算中是固定时，差值函数在计算过程中就成为另外2个自变量的双二次函数，这样可以更好的描述出石油机械连杆类零件内部位移函数的变化。
（一）计算模型和计算程序分析
本文对LGWC-20/250空气机车用的空压机连杆进行有限元分析，本文中所分析研究的空压机连杆结构如图1所示，在计算模型设计过程中不仅要考虑三维实体的要求，同时也要根据空压机连杆结构和受载特点对其进行处理，避免计算程序在分析三维实体模型过程中进行重复性计算工作。本文计算过程中取在小端孔中心左125mm位置处，将连杆从中部区域某一位置进行切断并作为零位移面，同时在截面上各节点三个坐标方向12个自由度进行约束，这样可以提高端边界峰值应力计算结果的准确性。根据连杆结构和载荷所对称的XOY平面和XOZ平面，所以我们予以位移边界条件设置为W（x，y，z=0）=0和V（x，y=0，z）=0，采用标准通用程序SAP5对LGWC-20/250空气机车用的空压机连杆进行有限元分析。为了更好的进行LGWC-20/250空气机车用的空压机连杆在不同工况下的有限元分析，本文在实际計算分析中选取最大受拉和最大受压两种工况进行计算，这样才能确保LGWC-20/250空气机车用的空压机连杆在不同工况下的实际设计要求。
图1，LGWC-20/250空气机车用的空压机连杆结构示意图
（二）计算结果分析
图2是小端外边界主应力分布和表面最大主应力分布，而且从计算结果分析中我们可以明确了解到，应力沿截面的分布从数值中可以确定是不均匀的，同时连杆内部应力在实际作业中小于边界应力，在最大受拉工况条件下杆身和小端连接处容易出现峰值应力，这是由于节点处的抗弯刚度不同以及内部截面的应力集中导致。连杆在实际作业中需要不断进行往复运动，因此连杆在实际作业中所承受的是非对称循环交变载荷，所以应该利用力学公式对连杆的疲劳强度进行校核，这样才能确保连杆结构可以承受不同工况下的非对称循环交变负荷，对提高连杆在设计中的疲劳强度有着重要的现实意义。本文通过对连杆的计算结果通过分析可以明确，三位有限元算法可以更好的计算出石油机械连杆类零件的应力数值，同时与传统计算方法相比三位有限元算法可以保证计算结果的准确性，其不仅可以为石油机械连杆类零件的设计与研究提供精确的应力应变计算结果，同时也在很大程度上简化了石油机械连杆类零件的应力计算研究工作时间。
图2，小端外边界主应力分布和表面最大主应力分布示意图
三、结束语
石油机械连杆类零件设计与研究工作过程中需要进行结构分析，传统设计计算方法一般都是材料力学和弹性力学的计算方法，无法保证石油机械连杆类零件结构应力计算结果的准确性，而有限元算法可以利用标准通用软件完成这一系列计算、分析工作，同时也可以确保石油机械连杆类零件结构应力应变计算结果的准确性，对提高石油机械在新时期的设计与研究质量、效率有着重要意义。
参考文献：
[1]郭成壁，陈全福.有限元法及其在动力机械中的应用.北京：国防工业出版社.1984
[2]王路，王尚恒.三缸单作用钻井泵连杆强度二维有限元分析.石油机械.1987
[3]周思柱，陶伦绪，党建国.石油机械连杆类零件的三维有限元分析.石油机械.2008