秦才會 侯洪為

(海洋中院中海油服油技研究院 北京)

基于ANSYS中APDL語言對測井儀器承壓外殼的有限元分析

秦才會 侯洪為

(海洋中院中海油服油技研究院 北京)

對于常規(guī)的力學分析者來說,等效轉(zhuǎn)化進行理論計算測井儀器外殼受力情況,這種方式往往分析太過粗略,不能確準知道某一位置受力情況。基于ANSYS中APDL語言的有限元分析,由于可以從節(jié)點開始建模,因此：節(jié)點、單元可控。即任意處節(jié)點編號、單元編號、節(jié)點應力,節(jié)點應變等均可方便提取,使有限元分析者對整個模型任意位置的應力、應變等信息均可清楚了解。文章以測井儀器承壓外殼為例說明基于ANSYS中APDL語言對測井儀器承壓外殼的有限元分析的優(yōu)點。

測井儀器;承壓外殼;應力;形變;有限元分析

0 引 言

石油測井儀器在井下工作時,由于受井中溫度、壓力的影響,在設計承壓外殼時往往要求儀器外殼承壓140 MPa,耐溫150℃。在高溫、高壓的惡劣環(huán)境中,為保護好測井儀器,要求測井儀器承壓外殼有足夠的強度。因此需對測井儀器承壓外殼進行力學分析。

1 理論計算應力分析

測井儀器承壓外殼設計人員在進行外殼設計,往往要從基礎公式進行推導出承壓外殼應力計算公式。根據(jù)彈性失效準則的第三理論推導出承壓外殼簡化計算公式如下：

式(1)中,p2為儀器承受的外壓力;K為儀器內(nèi)徑與外徑比。式中只能大致的計算鋼筒的最大應力,實際上鋼筒所承受的應力在軸向上是變化的,應力、應變?nèi)绾畏植?、最大變形分布等都無法得知。要想獲知他們的真實應力分布情形還得借助有限元分析軟件進行計算。

2 基于ANSYS中APDL語言從節(jié)點建模的有限元分析

APDL語言作為ANSYS的參數(shù)化設計語言,在設計時只須改變APDL宏文件幾個參數(shù),就可生成新的模型,并進行求解。這就大大提高工作效率,并且在建模設計時,可以從節(jié)點開始,生成單元,建立有限元網(wǎng)格,這樣建立的有限元模型結(jié)點、單元完全可控。進行有限元分析完成后,就可以準確知道待分析零部件任何位置應力、應變情況。以測井儀器承壓外殼為例說明建立有限元模型并進行有限元分析的過程,圖1為測井儀器承壓外殼的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 測井儀器承壓外殼結(jié)構(gòu)示意圖

為了和理論計算進行對比,簡化承壓外殼模型,以L=2 m,內(nèi)徑 d=0.076 2 m,外徑 D=0.092 m為例建立儀器有限元模型。下面簡要說明用APDL語言從節(jié)點開始建立測井儀器承壓外殼的有限元模型及分析步驟。

1)定義模型物理參數(shù)等：

圖2 測井儀器承壓外殼有限元模型

從圖2中,可以看出有限元網(wǎng)格劃分非常規(guī)則、整齊。在建立有限元模型前,需要將每個節(jié)點編號排好,然后再給單元分配好編號。這樣就可以知道任何位置的節(jié)點編號、單元編號,為以后提取某處節(jié)點、單元應力作準備。

圖3 測井儀器承壓外殼應力、應變云圖

從圖3中,可以看出測井儀器承壓外殼最大應力為969 MPa,最大變形為0.000 321。依第三強度理論計算公式(1),計算得承壓外殼最大應力892 MPa,公式與有限元分析軟件計算的最大應力偏差為8%,有限元分析結(jié)果有效。

圖4是承壓外殼一端應力云圖,圖5是承壓外殼中間位置應力云圖。

由于外殼是軸對稱的,因此可以選取某一位置從里到外的幾個單元分析受力情形。從圖4、圖5中可以看出,承壓外殼內(nèi)表面應力最大,從內(nèi)表面向外應力在逐漸減小。最大應力不是發(fā)生在中間單元,而是在兩端單元上。

圖4 承壓外殼一端應力云圖

圖5 承壓外殼中間位置應力云圖

選取承壓外殼軸向單元,繪外殼軸向所選單元應力云圖。

圖6是承壓外殼過軸截面應力云圖。

圖6 承壓外殼過軸截面應力云圖

從圖6中可以看出,測井儀器承壓外殼最大壓力發(fā)生在外殼約束和非約束的過渡區(qū)域,即最大壓力為局部應力,理論計算的應力為一定壁厚材料所能承受的最大應力。通過有限元分析,我們可以對測井儀器承壓外殼局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化,改善其受力情形提供有力的參考,同時,我們還可以將外殼內(nèi)徑、長度等數(shù)值賦予參數(shù),進行參數(shù)化設計。如：＊set,L,2＊set,d,0.0762＊set,D,0.092等。

3 結(jié)束語

本文基于ANSYS中APDL語言對測井儀承壓外殼從節(jié)點開始建立有限元模型進行有限元分析。其結(jié)果與理論計算結(jié)果相符度較高,并且可以知道任意位置的受力情況,對測井儀器承壓外殼的受力情形了解非常清楚,可以為以后的外殼優(yōu)化提供有力的依據(jù)。另外還可以參數(shù)化建立有限元模型進行有限元分析,這樣只需改變幾個參數(shù),就能對不同規(guī)格的模型進行有限元分析。

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TE91

B

1004-9134(2011)06-0072-03

秦才會,男,1980年生,工程師,2006年畢業(yè)于中國石油大學(北京)機械設計及理論專業(yè),獲碩士學位,現(xiàn)在中海油服油技研究院從事石油測井儀器的研發(fā)工作。郵編：065201

2011-08-09

高紅霞)

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