摘要：不壓井修井作業(yè)是一種產(chǎn)能效率高且對環(huán)境影響小的油氣田作業(yè)方式，底座是不壓井修井機的結(jié)構(gòu)承載載體，其強度質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備和系統(tǒng)的安全。文章選用三維建模軟件對底座進行參數(shù)化建模，在有限元分析軟件中對加載后的模型進行有限元求解，求解得到的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果對底座的設(shè)計和制作具有理論參考意義。

關(guān)鍵詞：不壓井修井機；底座；參數(shù)化設(shè)計；有限元分析；結(jié)構(gòu)承載載體 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TE935 文章編號：1009-2374（2017）03-0156-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.070

不壓井作業(yè)能降低對產(chǎn)層的污染，最大程度地保護和維持原始地層，并極大地提高產(chǎn)能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于修井作業(yè)中。不壓井修井機的應(yīng)用有利于油氣田的穩(wěn)定生產(chǎn)和長期開發(fā)。底座作為不壓井修井機的結(jié)構(gòu)承載基礎(chǔ)，用于支撐整個設(shè)備。底座的強度質(zhì)量直接關(guān)系到設(shè)備的整體質(zhì)量和安全，也影響油氣田開發(fā)的效益，故安全、經(jīng)濟、合理的底座設(shè)計方法顯得特別重要。本文通過三維建模軟件對底座進行參數(shù)化建模，在有限元分析軟件中模擬底座受載情況并進行有限元分析，求解得到應(yīng)力和變形的結(jié)果，對底座的設(shè)計和生產(chǎn)提供一定的思路和依據(jù)。

1 參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計一直是機械行業(yè)系統(tǒng)設(shè)計所追求的目標(biāo)，它可以極大地提高機械設(shè)計效率。參數(shù)化設(shè)計方法因其直觀性、實用性、高效性等特點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在各類機械行業(yè)中。

綜合考慮油氣田井場現(xiàn)場布置要求和不壓井修井機性能參數(shù)等因數(shù)，確定出底座的結(jié)構(gòu)形式和基本外形尺寸。采用基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化設(shè)計方法，通過建模軟件里的“3D草圖”功能繪制出底座的框架，框架參數(shù)化的“3D草圖”如圖1所示?？蚣堋?D草圖”中的每一個尺寸線可以看成是一個參數(shù)，尺寸線上的數(shù)字就相當(dāng)于是參數(shù)名，尺寸線的方向代表了幾何數(shù)據(jù)實體和參數(shù)間的關(guān)系。當(dāng)?shù)鬃目蚣芙Y(jié)構(gòu)外形尺寸需要更改時，可調(diào)整對應(yīng)的框架“3D草圖”中的參數(shù)化尺寸，根據(jù)參數(shù)值對不壓井修井機底座框架實體尺寸進行編輯修改后，框架結(jié)構(gòu)外形尺寸便會隨之得到相應(yīng)的更新。

2 建立模型

確定框架所有尺寸后，根據(jù)設(shè)計要求從建模軟件結(jié)構(gòu)件庫里選定制作底座相應(yīng)的型材，并對底座中非結(jié)構(gòu)承載部件（如梯子、護欄等）和零件加工工藝結(jié)構(gòu)（如倒角、工藝槽、安裝螺栓孔等）做簡化處理，得到底座三維模型，如圖2所示。轉(zhuǎn)換建模軟件中底座的三維模型格式，導(dǎo)入到有限元分析軟件后，再對生成的模型進行修整（如設(shè)置各連接處的接觸、約束等），更新后的新模型如圖3所示。

3 計算前處理

結(jié)合設(shè)計要求的材料，在有限元分析軟件中設(shè)置和賦予相對應(yīng)的材料參數(shù)、材料性能和材料屬性值（如材料的密度、泊松比、楊氏模量和屈服強度等），并對模型設(shè)置相應(yīng)的分析單元和接觸單元。由于在計算前處理時，主要根據(jù)計算的精度和計算機的運算速度來確定單元的大小，雖然單元越?。ňW(wǎng)格劃分得越細），有限元分析計算的結(jié)果精度就越高，但相應(yīng)的計算機運算的時間也就越久。在保證計算結(jié)果準(zhǔn)確性的同時提高計算分析效率，根據(jù)結(jié)構(gòu)件大小的不同，設(shè)置不同大小的網(wǎng)格劃分單元，并對在應(yīng)力集中的部位（如底座上部斜撐桿與上橫梁的連接處）將網(wǎng)格劃分得細一些，網(wǎng)格劃分后模型的結(jié)點（nodes）數(shù)為674004個，單元（elements）數(shù)為343318個，如圖4所示。根據(jù)底座工況條件，添加相應(yīng)的約束，將底座底面固定，在底座上的支座處添加相應(yīng)工況大小的載荷。

4 輸出結(jié)果

前處理完畢后，設(shè)置需要查看的求解結(jié)果（如應(yīng)力值、應(yīng)變值等）。通過有限元分析軟件自帶的求解器求解，得到底座的應(yīng)力云圖如圖5所示，底座的應(yīng)變云圖如圖6所示。

由應(yīng)力云圖可明顯看出，最大應(yīng)力為145.54MPa，完全滿足安全條件要求。底座上部斜撐桿與上橫梁的連接部位應(yīng)力最大，上下底座的斜撐桿處應(yīng)力相對較大。由應(yīng)變云圖可明顯看出，最大應(yīng)變1.94mm發(fā)生在上底座的支座處，上底座的中部橫梁的變形也相對較大，該結(jié)果與實際情況很吻合。為了避免底座應(yīng)力過大或出現(xiàn)大變形的危險現(xiàn)象，在設(shè)計和制作底座時，需結(jié)合有限元分析結(jié)果，重點關(guān)注上下底座的斜撐桿、上底座的支座和上底座的橫梁，且對底座的選型材料和焊接質(zhì)量也應(yīng)重點考慮。

5 結(jié)語

底座作為不壓井修井機重要的金屬鋼結(jié)構(gòu)承載載體，設(shè)備在作業(yè)過程中，底座的強度必須滿足各類安全要求。在設(shè)計底座時，需根據(jù)相關(guān)工況條件重點考慮較大應(yīng)力和較大應(yīng)變的區(qū)域，本文通過對不壓井修井機底座進行參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)有限元分析，可獲得靠譜的底座應(yīng)力和變形等方面的信息，并為指導(dǎo)底座的安全設(shè)計和制作提供理論參考依據(jù)。

參考文獻

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油機械，2007，35（9）.

[2] 王煒.不壓井作業(yè)裝置技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用分析[J].石油

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作者簡介：吳作為（1989-），男，供職于中石化石油工程機械有限公司第四機械廠，碩士，研究方向：石油機械設(shè)計。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）