張美君

（長城鉆探鉆井技術(shù)服務(wù)公司， 遼寧 盤錦 124010）

1 ABAQUS 軟件簡介及電阻率模型概況

1.1 ABAQUS 軟件簡介

ABAQUS 被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS 不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場的分析，同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。ABAQUS 的系統(tǒng)級分析的特點相對于其他的分析軟件來說是獨一無二的。由于ABAQUS 優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性使得ABAQUS 被各國的工業(yè)和研究中所廣泛的采用。ABAQUS 產(chǎn)品在大量的高科技產(chǎn)品研究中都發(fā)揮著巨大的作用。和ANSYS 相比，兩種軟件同為國際知名的有限元分析軟件，在世界范圍內(nèi)具有各自廣泛的用戶群。ANSYS軟件在致力于線性分析的用戶中具有很好的聲譽，它在計算機資源的利用，用戶界面開發(fā)等方面也做出了較大的貢獻。ABAQUS 軟件則致力于更復(fù)雜和深入的工程問題，其強大的非線性分析功能在設(shè)計和研究的高端用戶群中得到了廣泛的認可。此外ANSYS 軟件注重應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，覆蓋流體、電磁場和多物理場耦合等十分廣泛的研究領(lǐng)域。ABAQUS 則集中于結(jié)構(gòu)力學(xué)和相關(guān)領(lǐng)域研究，致力于解決該領(lǐng)域的深層次實際問題。還有在求解器功能方面，對于常規(guī)的線性問題，兩種軟件都可以較好的解決，在模型規(guī)模限制、計算流程、計算時間等方面都較為接近。ABAQUS 軟件在求解非線性問題時具有非常明顯的優(yōu)勢。其非線性涵蓋材料非線性、幾何非線性和狀態(tài)非線性等多個方面。另外，由于ABAQUS/Standard（通用程序）和ABAQUS/Explicit（顯式積分）同為ABAQUS 公司的產(chǎn)品，它們之間的數(shù)據(jù)傳遞非常方便，可以很容易地考慮預(yù)緊力等靜力和動力相結(jié)合的計算情況。ABAQUS 軟件的求解器是智能化的求解器，可以解決其它軟件不收斂的非線性問題，其他軟件也收斂的非線性問題，ABAQUS 軟件的計算收斂速度較快，并更加容易操作和使用。

1.2 電阻率模型概況

貼壁式電阻率采用四發(fā)雙收的機構(gòu)，通過四個發(fā)射機來發(fā)射高低兩種不同頻率的電測波，并使用兩個發(fā)射機接收發(fā)射的電磁波，通過反演電磁波的相位差和幅度差，從而可以反算出地層的電阻率，進而判斷油層信息[1]。貼壁式電阻率外殼的機械結(jié)構(gòu)及相關(guān)幾何尺寸信息由SolidWorks 軟件生成三維模型，通過通用的文件接口導(dǎo)入到有限元軟件ABAQUS中。通過總體結(jié)構(gòu)分析，電阻率鉆鋌外殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，總體劃分網(wǎng)格的工作量較大，因此采用了初步總體計算和局部細化兩步法來進行計算。初步總體計算用以確定應(yīng)力最大值的大致范圍，最終以局部細化模型給出強度校核分析。在初步總體計算時，采用4面體10 節(jié)點單元進行網(wǎng)格劃分。該單元網(wǎng)格可由軟件直接生成，但計算精度較低。由該單元劃分的有限元模型初步計算，確定應(yīng)力最大值的大致范圍。然后截取布局結(jié)構(gòu)，采用6 面體8 節(jié)點進行網(wǎng)格劃分。該單元網(wǎng)格需要大量的人力投入，計算精度較高，最終以局部細化模型給出強度校核分析[2]。

貼壁式電阻率外殼的強度分析主要考慮鉆壓（軸壓）、扭矩和內(nèi)外水壓作用。在建立有限元力學(xué)模型時，首先4 面體10 節(jié)點單元劃分單元網(wǎng)格，如下頁圖1 所示。在一段施加固定約束，在另一段施加鉆壓和扭矩載荷，在鉆鋌內(nèi)外表面施加水壓，在蓋板接觸面施加等效水壓。其中，蓋板接觸面的等效水壓按照按照面積比例系數(shù)計算。

1.2.1 總體模型規(guī)模

通過統(tǒng)計，總體模型的計算規(guī)模如下：一是特征單元長度10 mm；二是單元總數(shù)741 322，全部為四面體網(wǎng)格；三是節(jié)點總數(shù)1 074 619；四是求解變量3 234 657。

從以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，總體模型的自由度規(guī)模達到300 萬，但網(wǎng)格劃分不是足夠精細，單元質(zhì)量低，不能用于較精確的強度分析，只用于初步定位最大應(yīng)力位置。

1.2.2 總體模型位移邊界條件

鉆鋌下端面固定約束。

1.2.3 總體模型載荷邊界條件

一是鉆鋌上端面軸向集中力（鉆壓）；二是鉆鋌上端面軸向集中力矩（扭矩）；三是鉆鋌外表面的水壓；四是鉆鋌內(nèi)表面的水壓；五是鉆鋌蓋板接觸面的等效水壓。

1.2.4 初步確定最大應(yīng)力區(qū)域

采用16 線程并行計算，總體模型計算耗時約7 h。

總體模型計算結(jié)果如下頁圖5 所示。從解算結(jié)果來看，Mises 應(yīng)力值偏大，也印證了四面體單元的精度低的特性。應(yīng)力最大值出現(xiàn)在圖中紅圈區(qū)域的10 mm 穿線孔壁，由此建立了局部細化模型再進行強度分析。

1.2.5 局部細化模型規(guī)模

局部細化模型的網(wǎng)格劃分如圖2 所示。通過統(tǒng)計，總體模型的計算規(guī)模如下：

1）特征單元長度8 mm；

2）單元總數(shù)163 988，其中，六面體單元152 132個（占92.7%），四面體單元11 856 個（占7.3%），警告單元1 558 個（0.95%），畸變單元0 個（占0%）；

3）節(jié)點總數(shù)199 993；

4）求解變量604 794。

從以上統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，局部細化模型的自由度規(guī)模為60 萬，約為總體模型1/5，計算效率大幅度提升。同時，局部細化模型幾乎都采用了六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分足夠精細，單元質(zhì)量高，適用于較精確的強度分析。

2 應(yīng)力及載荷分析

2.1 應(yīng)力分析

對于無磁材料，采用Mises 屈服準則，即判斷Mises 等效應(yīng)力與材料許用應(yīng)力之間的關(guān)系。Mises屈服準則是在一定的變形條件下，當受力物體內(nèi)一點的等效應(yīng)力達到某一定值時，該點就開始進入塑性狀態(tài)。米塞斯屈服準則的物理意義在一定的變形條件下，當材料的單位體積形狀改變的彈性位能（又稱彈性形變能）達到某一常數(shù)時，材料就屈服。Mises等效應(yīng)力σs按照如下公式計算：

式中：σ11、σ22、σ33均表示正應(yīng)力分量；τ12、τ23、τ31均表示剪應(yīng)力分量。

計算常規(guī)鉆井工況條件下的受力情況，假設(shè)鉆壓為200 kN，扭矩為10 kN，內(nèi)外水壓為140 MPa，常規(guī)鉆井工況計算的總體和局部應(yīng)力分布情況如圖3所示。

從上圖的模擬分析結(jié)果分析可知，在給定的常規(guī)常規(guī)鉆井工下：一是外殼最大Mises 應(yīng)力約為773 MPa，安全系數(shù)約為1.49；二是最大應(yīng)力在10 mm穿線孔的內(nèi)壁；三是最大應(yīng)力主要受水壓影響。

2.2 載荷極限模擬分析

載荷極限是指工具所能承受的最大載荷，由于鋼材料本身的特點，載荷極限包括了屈服極限和強度極限，分別為材料處于屈服應(yīng)力和失效應(yīng)力時對應(yīng)的載荷數(shù)值。由于其他載荷對工具的安全性能影響相對較小，在文重點研究了貼壁式電阻率外殼的耐水壓極限和承扭極限。

計算耐水壓極限時，只考慮水壓，不考慮其他載荷。內(nèi)外壓0～400 MPa，水壓按照8 MPa 為步長，計算50 組模型，提取蓋板的最大Mises 應(yīng)力，與材料的屈服應(yīng)力和失效應(yīng)力比較，得到耐水壓極限，如圖4 所示。

從模擬結(jié)果可以得出，當水壓小于176 MPa 時，貼壁式電阻率外殼鋼材料處于彈性變形狀態(tài)；當水壓大于176 MPa 小于400 MPa 時，貼壁式電阻率外殼鋼材料處于塑性性變形狀態(tài)。因此貼壁式電阻率外殼的屈服極限水壓力（最大工作壓力）為176 MPa，強度極限水壓力（最大壓力）大于400 MPa。水壓力造成的應(yīng)力最大分布在蓋板內(nèi)通孔內(nèi)壁處。

計算承扭極限時，輸入條件為鉆壓98 kN、扭矩0～200 kN·m、水壓150 MPa。保持鉆壓和內(nèi)外壓不變，扭矩按照4 kN·m 為步長，計算50 組模型，分別提取核磁工具芯體的最大Mises 應(yīng)力，與材料的屈服應(yīng)力和失效應(yīng)力比較，得到承扭極限。

圖5 給出了扭矩加載過程中的最大Mises 應(yīng)力。從圖中可以看出，當扭矩小于156 kN·m 時，核磁工具芯體的鋼材料處于彈性變形狀態(tài)；當扭矩大于156 kN·m 小于200 kN·m 時，核磁工具芯體的鋼材料處于塑性性變形狀態(tài)。因此核磁工具芯體的屈服極限扭矩（最大工作扭矩）為156 kN·m，強度極限扭矩（最大扭矩）大于200 kN·m。通過分析，扭矩造成的應(yīng)力最大分布在上部橢圓形槽壁。

3 結(jié)論

1）通過總體模型初步分析，大致確定了最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置，截取部分結(jié)構(gòu)建立細化的有限元模型進行強度校核；

2）常規(guī)鉆井工況條件下，無磁的芯體最大Mises應(yīng)力約為773 MPa，安全系數(shù)約為1.49，最大應(yīng)力在10 mm 穿線孔的內(nèi)壁，主要受水壓影響。工具的屈服極限水壓力為176 MPa，強度極限水壓力大于200 MPa，水壓力造成的應(yīng)力最大分布在穿線孔的內(nèi)壁。工具的屈服極限扭矩為156 kN·m，強度極限扭矩大于200 kN·m，扭矩造成的應(yīng)力最大分布在上部橢圓形槽壁。

3）該有限元分析為貼壁式無磁的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐，論證了貼壁式無磁設(shè)計的可行性，為貼壁式無磁的加工應(yīng)用提供了依據(jù)。