基于有限元法的折臂抓管機機械臂應力分析及評定
2017-5-16 來源：沈陽新松機器人自動化股份有限公司 作者：高世卿 李慶杰 謝 冰 皮景峰 胡 帥
摘要: 折臂抓管機是深海鉆機管處理系統的關鍵設備，文中利用 Ansys 軟件建立了折臂抓管機機械臂的有限元模型，通過計算得到模型的應力大小和分布，根據應力線性化原理提取了關鍵部位的應力狀態，進行分類識別、提取和評定，給出了應力強度評定結果，為此類非標準件的應力計算和結構優化提供了參考。
關鍵詞: 折臂抓管機; 應力線性化; 應力評定; 有限元分析
0.前言
在深水及超深水海域的勘探開發中，折臂抓管機將鉆桿堆場中水平放置的鉆桿移運到井口，并翻轉為豎直狀態，或者將井口上方拆卸下的豎直鉆桿，翻轉并移運到鉆桿堆場，其在鉆機管處理系統中起著非常重要的作用［1］，未來在石化行業中的使用會日益廣泛。但同時由于其結構的非標準化，在對其進行應力分析和安全評定時，某些結構無法用強制性的準則來計算而只能參照現有準則通過簡化、當量化等手段來進行計算［2］，所以其結構的合理性和使用的安全性也越來越受到關注。
本文利用 Ansys 對折臂抓管機的機械臂進行有限元分析，根據應力線性化原理對其進行應力強度評定，該校核方法為此類非標準件的應力計算和結構優化提供了參考。
1.折臂抓管機結構原理
折臂抓管機作為鉆機管處理系統的關鍵設備，通常由基座、轉臺、機械臂及抓管軛 4 部分組成。圖 1 為抓管機機構原理圖，顯示了折臂抓管機完全伸展、工作及完全縮回等狀態。機械臂位于基座與抓管軛之間，是折臂抓管機執行動作和承受載荷的主要構件，對結構的合理性與安全性有重要作用。本文以折臂抓管機的內臂為例進行計算分析，機械臂結構如圖 2 所示。
本文以折臂抓管機的內臂為例進行計算分析，機械臂結構如圖 2 所示。對折臂抓管機進行受力分析，如圖 3 所示。
折臂抓管機機械臂的材料為 HG785E，有關參數如表 1 所示。
表 1 材料的物理和力學參數
2.數值模型和計算結果
2. 1 模型簡化
由于該機械臂結構是沿著中間面對稱的，而且約束和載荷也是沿中間面對稱的，因此，可以對機械臂沿中間面分開的 1 /2 結構進行分析，在不影響計算精度與結果的同時又可節省計算時間與數據存儲空間。
2. 2 網格劃分
本文采用 Solid 95 單元對模型進行劃分，如圖 4 所示，在應力集中處進行單元細化，以提高計算精度。
2. 3 施加載荷和約束
由于將模型簡化為實際模型的 1 /2 進行計算，所以在對稱邊界上加載對稱位移約束。機械臂在不同工作姿態情況下所受的力是不同的，這里選用載荷為 37. 5 k N、夾鉗工作位置在水平方向和垂直方向分別為 10 m 和 4. 5 m 的姿態時對機械臂進行分析，經計算得出各桿受力 F1= 242. 757 k N、F2= 532. 613 k N、F3= 465. 219 k N。對模型進行約束，將各鉸接孔加載相應的作用力，并且加載模型自身的重力。
2. 4 計算結果及分析
通過計算得出模型的應力分布情況，如圖 5所示。其中最大應力分布在耳板與機械臂底板連接處，該部分具體應力分布如圖 5c 所示。
圖 5 應力分布圖
3.應力評定
3. 1 應力線性化原理
抓管機在工作過程中，由載荷或者約束產生的應力種類很多，根據這些應力在抓管機的失效過程中所產生的作用程度不同需要將這些應力進行分類。基于合力等效和合力矩等效的基本原理，Kroenke 等［3］提出了從計算應力中分解出薄膜應力和彎曲應力的有效方法，簡稱為應力等效線性化處理。所謂等效線性化處理就是把計算應力分布曲線根據靜力等效的原理分解成 3 個部分: 1) 與合力等效的、沿截面厚度 ( 或沿應力分類線 SCL)均勻分布的薄膜應力; 2) 與合力矩等效的、沿截面厚度 ( 或 SCL) 線性分布的彎曲應力; 3) 合力和合力矩均為零的、沿截面厚度 ( 或 SCL) 非線性分布的峰值應力。薄膜應力存在于整個設備范圍之中，所以它對罐體的失效危害程度是最大的。一次薄膜應力對于機械臂結構的影響只存在于局部結構中，并且其存在于結構的不連續處，會導致邊緣應力的存在。彎曲應力是沿著厚度方向呈線性分布的，它的危害性比一次薄膜應力要小。但是在設備的工作過程中，會出現拉彎組合應力。取相應應力的校核準則如下［4］
Ansys 分析時，通過設置路徑來確定典型的評定截面。首先查找顯示在應力強度云圖上的高應力強度區域，且在結構不連續部位選取內外壁上相對的兩個節點，設置貫穿壁厚的路徑，將數據 映 射 在 路徑上，對路徑再進行線性化處理。3. 2 路徑 1 強度評定路徑 1 為耳板與機械臂底板連接處，屬于局部位置。選擇最大的應力強度對路徑進行線性化處理，總應力、薄膜應力、薄膜應力加彎曲應力的線性化結果如圖 6 所示。評定結果見表 2。
表 2 路徑 1 上應力線性化結果強度評定
3. 3 路徑 2
強度評定路徑 2 為機械臂底板上耳板與底板連接處附近的位置。總應力線性化處理后，總應力、薄膜應力、薄膜應力加彎曲應力的線性化結果如圖 7所示。評定結果見表 3。
表 3 路徑 2 上應力線性化結果強度評定
3. 4 路徑 3
強度評定路徑 3 為機械臂上蓋板應力最大處。總應力線性化處理后，總應力、薄膜應力、薄膜應力加彎曲應力的線性化結果如圖 8 所示。評定結果見表 4。
表 4 路徑 3 上應力線性化結果強度評定
4.結論
利用 Ansys 軟件建立了折臂抓管機機械臂結構的有限元模型，通過有限元分析得到應力分布和大小，最大應力分布在耳板與機械臂底板連接處，其中最大應力達到 462 MPa。截取關鍵部位的 3 路徑進行了應力等效線性化處理及應力評定，評定結果表明所設計的機械臂滿足強度要求。該方法為此類非標準件的應力計算和結構優化提供了參考。
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