基于ANSYS的防砂完井專用吊卡有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉言理（大港油田公司石油工程研究院， 天津 300280）

基于ANSYS的防砂完井專用吊卡有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉言理（大港油田公司石油工程研究院， 天津 300280）

為提高防砂完井過程中下沖管的施工效率及成功率，對(duì)防砂完井專用吊卡進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，用三維軟件solidworks繪制了防砂完井下沖管專用吊卡的幾何模型，并將關(guān)鍵部件的幾何模型導(dǎo)入到ANSYS里的static structural模塊中進(jìn)行了有限元分析仿真，最終得到了專用吊卡的靜力學(xué)強(qiáng)度、形變狀態(tài)的分析結(jié)果，并獲得了應(yīng)力云圖及相關(guān)數(shù)據(jù)。據(jù)此提出了對(duì)吊卡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化的方案，使其更加穩(wěn)定可靠，符合施工要求。

ANSYS；防砂完井；吊卡；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在防砂完井過程中，通常要在防砂完井管柱中下入小直徑的沖管，沖管在下入過程中需要用兩只專用吊卡進(jìn)行交換使用，以實(shí)現(xiàn)沖管的持續(xù)下入。在長(zhǎng)達(dá)幾百米的油層段中，通常要下入配套的沖管長(zhǎng)達(dá)幾百米。因此在反復(fù)使用的過程中，要充分保證吊卡的強(qiáng)度和安全性能。文章從有限元分析的角度對(duì)吊卡工作過程中的受力情況進(jìn)行了分析，并對(duì)吊卡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

首先建立裝配體幾何模型，采用solidworks建立三維模型。對(duì)吊卡本體四周進(jìn)行了倒角處理，對(duì)手柄進(jìn)行了滾花設(shè)計(jì)，以增加摩擦力，方便拆裝。

專用吊卡在施工過程中，主要起作用的部分是承載沖管重量的本體部分，這部分也是施工過程中容易出問題的部分，因此這里主要對(duì)本體部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)行有限元分析。網(wǎng)格劃分如圖1所示。

網(wǎng)格劃分在有限元分析中極為重要，高質(zhì)量的網(wǎng)格是實(shí)現(xiàn)有限元計(jì)算的必要前提。這里采用Automatic Method方法，網(wǎng)格最小邊長(zhǎng)1.5mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)4086個(gè)，網(wǎng)格單元數(shù)2187。網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)估結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)估

從網(wǎng)格評(píng)估結(jié)果看，網(wǎng)格質(zhì)量較為優(yōu)良，能夠滿足計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算的需要。

2 吊卡強(qiáng)度有限元分析

有限元模型是根據(jù)吊卡的實(shí)際形狀和實(shí)際的載荷條件建立有限元分析的計(jì)算模型，從而為數(shù)值計(jì)算提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這里先利用solidworks軟件建立吊卡三維模型，然后導(dǎo)入到ANSYS 軟件中，并運(yùn)用軟件自帶的DesignModeler模塊對(duì)幾何體進(jìn)行修整。

利用Engineering data功能進(jìn)行吊卡本體材料的編輯，吊卡材料選用結(jié)構(gòu)鋼，密度為7850kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量2×1011Pa，抗拉強(qiáng)度250MPa。

在Static Structural模塊中添加約束并施加載荷，按照吊卡的工作狀態(tài)將吊卡的下平面設(shè)置為固定平面，在承壓環(huán)的表面施加載荷30kN。在Solution下求選擇解等效應(yīng)變、等效應(yīng)力、總變形最大剪應(yīng)變等參數(shù)。運(yùn)行Slove求解得到各參數(shù)云圖如圖3-圖5所示。

等效應(yīng)力分布圖2表明專用吊卡的最大應(yīng)力發(fā)生在吊卡承壓環(huán)彎曲的地方，最大應(yīng)力為4.8121×106Pa，屬于典型的應(yīng)力集中現(xiàn)象，專用吊卡的其它大部分應(yīng)力基本在2.2×106Pa以下，吊卡的靜載荷強(qiáng)度足夠，但為了更好地能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要，有必要對(duì)承壓環(huán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

等效應(yīng)變的分布云圖如圖3所示，等效應(yīng)變的分布規(guī)律與等效應(yīng)力的分布規(guī)律很相似，較大的應(yīng)變主要集中在承壓環(huán)的內(nèi)邊緣和外邊緣上，最大應(yīng)變數(shù)值為2.1471×10-5。

總變形的分布云圖如圖4所示，從圖中可以看出最大變形出現(xiàn)在吊卡承壓環(huán)的外邊緣處，最大變形量為4.5011×10-7m。其它部分的變形較為對(duì)稱、均勻。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

（1）建議對(duì)吊卡承壓環(huán)面積加大，減少單位面積上所受的壓力，同時(shí)承壓環(huán)兩側(cè)邊緣處應(yīng)力集中較為明顯，是裂紋、斷裂等情況發(fā)生的主要位置，可以采取底部圓角結(jié)構(gòu)過渡，減少應(yīng)力集中。

（2）對(duì)承壓坐部分進(jìn)行加硬處理，減少磨損和變形，增加使用壽命。也可以在承壓環(huán)上采用彈簧鋼材質(zhì)的半圓環(huán)墊，在多次使用后，只需更換半圓墊即可。

圖1 本體部分網(wǎng)格劃分

圖2 等效應(yīng)力分布

圖3 等效應(yīng)變分布

圖4 總變形分布