2022年抽油泵锁爪与支撑接头的接触有限元分析.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 抽油泵锁爪与支撑接头的接触有限元分析邓卫东闫相祯丁鹏杨秀娟摘 要：应用有限元方法对采油工程中广泛使用的杆式抽油泵锁爪与支撑接头之间的接触关 系进行了数值模拟,通过运算结果分析,对锁爪与支撑接头之间的弹性摩擦接触有了初步明白,为杆式抽油泵的内部结构设计和几何参数的确定供应了肯定的参考依据；关键词：接触问题弹性摩擦接触有限元法数值分析在有杆泵工作的过程中,锁爪与支撑接头之间的接触是一个基本问题,一旦在抽油过程中锁爪被拉脱,有杆泵将无法正常工作,因此讨论其受力机理及相互作用的规律是特别有必 要的；接触问题是一种高度的状态非线性行为,它随载荷、材料、边

2、界条件和其他因素而 定,并且大多的接触问题需要运算摩擦,摩擦使问题的收敛性变的困难,因此,如何正确 地确定接触体间的接触域和接触压力分布是一项特别艰巨的工作；用解析法分析接触问题 只限于简洁的情形,但实际工程中的接触问题,其结构外形、边界条件和接触状态都特别复杂,难以求得解析解；随着电脑技术的进展,用数值运算方法获得高精度解已成为可能；本文以 38 泵为例,用 ANSYS 有限元分析 软件对锁爪与支撑接头在不同接触工况下接触 应力与变形进行了分析运算,可为制造单位和现场应用供应参考；1 基本理论及运算模型1.1 锁爪与支撑接头接触的理论分析锁爪与支撑接头接触时,法向力作用接触点发生少量弹性变形

3、,接触位移变化量可由下式 求得：D=W1+W2+Z1+Z2 1式中,D 为锁爪与支撑接头的接近距离,与法向作用力相关；Z1、Z2 是两物体接触外表几何尺寸变化引起的物体法向接近量,可由两物体的曲面方程求得,是已知量；W1 、W2 是两弹性物体外表在接触区内受法向载荷后沿 量；Z 轴方向的弹性变形量,即法向的弹性变形名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 当接触区压力分布为Px, y 时,由弹性力学公式可知1 W 、2 W 之和的表达式为：式中, 1、 2分别为二物体的泊桑比；E1 、E2 为二物体的弹性模量；S 为接触区域

4、；r 为作用力与运算点位置的距离；对接触区域 S 进行网络单元划分,单元足够小时,各单元内的压力 Pi 可视为匀称分布,这时面积为 Si 的第 i 单元作用力为 PiSi ,利用迭加原理,可得各单元力对接触区域产生弹性变形量的表达式为 3式中 rij 为各 i 点与 j 点单元之间的距离；由弹性力学可知半空间物体受分布压力Pi 作用时,其应力方程用数值方式表达为名师归纳总结 式中, z 、 r 、 、 rz 是柱坐标表示的应力值；rij 是 xy 平面内 j 点距 i 点距离,第 2 页,共 7 页Rij 是三维空间内j 点离作用力点i 的距离,表达式为- - - - - - -精选学习资料

5、- - - - - - - - - 1.2 运算模型为了较精确的模拟出锁爪与支撑结构之间的相互作用,实行三维运算模型,鉴于结构的对称性,取 1/4 模型,如图1 所示；忽视机械锁紧接头外表磷化的作用,并假定锁爪与支撑结构是各向同性弹性材料；其中锁爪的材料为65Mn ,机械锁紧接头的材料为45 钢；机械锁紧接头上下两端进行轴向约束,锁爪环向约束位移,锁爪承担轴向拉力和内压考虑了抽油泵工作时的沉没压力；图 1 锁爪与支撑接头的接触运算模型2 运算结果分析2.1 接触域应力与变形分析分 7 种不同的工况进行讨论,实行比例加载的方式；详细工况及载荷值如表 1 所列；表 1 锁爪与支撑结构所受的不同载荷

6、工况名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 2 是在工况 7 下锁爪与支撑接头的等效应力分布图,从中可以看出, 等效应力的极大值显现在锁爪与支撑接头的接触区域和锁爪开孔处,锁爪的开孔引起了应力集中；最大等效 应力显现在锁爪的开孔的局部区域,锁爪与支撑接头的接触部位也显现了较大的应力值,其中最大等效应力为 501MPa ,约是锁爪所受拉应力的 100 倍,约是沉没压力 167 倍；此外,由于锁爪的开孔和锁爪下端外周的突然扩大,在拉力的作用下,锁爪的下端显现“颈 缩”现象,理论分析说明,颈缩的显现,可以缓和应力集中和过大的

7、接触应力；图 2 工况 7 下锁爪与支撑接头的有效应力分布图图 3 为不同工况下接触区最大接触应力曲线,从中看出,随着载荷的比例增加,接触区域 的最大接触应力逐步增加,在载荷比较小的时候,锁爪仍没有显现“颈缩 ”现象,在锁爪开 孔处显现了应力集中,而此时的接触区域应力集中现象不太明显,此时的应力主要由接触 区以上部位的开孔来承担,随着载荷的增大,开头显现“颈缩 ”现象,由于锁爪的颈缩,缓 和了锁爪开孔部位的应力集中,而接触区域的应力集中现象明显,呈非线性关系；名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图 3 不同工况下接触区

8、最大接触应力曲线与拟合曲线图 4 为锁爪与支撑接头的变形图,可以看出,就1/4 的锁爪模型来说,最大变形显现在接触弧区域的中间部位,成类圆形分布, 逐步向外扩展, 其值逐步减小, 变形的数量级为10-4；就 1/4 的支撑结构模型来说,最大变形显现在接触弧两端部位,逐步向外扩展,其值逐步减小,变形的数量级为 10-5；就变形的数量级来说,在颈缩现象不是太明显的情形下,缩爪的变形比支撑结构高一个数量级,在颈缩现象较明显的情形下,两者的数量级差会更大；图 4 锁爪与支撑接头变形图2.2 锁爪与支撑接头失效的极限载荷分析在杆式泵抽油过程中,特殊是上冲程时,假如活塞与泵筒之间的摩擦比较大,有可能把泵拉

9、脱,本部分讨论在轴向拉力的作用下,锁爪与支撑接头之间的失效问题；为了较精确地模拟泵38 锁爪与支撑结构的失效现象,作者取如表2 所列的 7 组数据来研究；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 表 2 锁爪在轴向拉力作用下的滑移与内力值通过运算发觉,当锁爪向上滑移1.2mm 时,所对应的轴向拉力约为5KN 时,有限元方法显现无法收敛的现象,笔者均取了10 个子步来分析, 只收敛了3 步,当向上滑移1.65mm时,均不收敛,可见使该泵锁爪与支撑结构失效的极限载荷约为5KN ,该数据与现场试验所测的数据基本吻合,当滑移介于1.

10、6-4mm 时,锁爪开头脱开,当大于4mm 时,锁爪完全脱开；可见,为了使锁爪在有效的范畴内工作,作者建议,锁爪所受的轴向拉力应不大于 5KN ；由于锁爪与支撑结构是典型的弹性摩擦接触现象,是非线性的一种,而不是材料非线性,即琐爪与支撑结构均没有进入塑性状态；3 结论就锁爪与支撑结构的接触数值模拟分析,可以得出以下结论：1 用有限元方法对杆式泵锁爪与支撑结构之间的接触应力、变形与失效的极限载荷进行了分析运算 ,经分析具有肯定的牢靠性,可为泵的安全使用和工程设计供应肯定的依据；2锁爪与支撑接头的接触域和锁爪开孔域显现了极大的有效应力值,锁爪的开孔引起了应力集中；在拉力的作用下,锁爪的下端显现 中

11、和过大的接触应力；“颈缩 ”现象,颈缩的显现,可以缓和应力集3 在锁爪与支撑结构体系中,锁爪的受力约是后者的 3-6 倍,随着载荷的逐步增加,锁爪所受的最大有效应力逐步减小,而支撑结构的最大有效应力逐步增大；4 本文的分析方法具有普遍意义,可应用于其他各种弹性摩擦接触问题；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 参考文献1徐芝伦 .弹性力学 .北京：人民训练出版社,1982. 2习俊通,梅雪松,吴序堂 .面对对象的接触问题的有限元分析 .机械强度, 1999 ,211： 3941. 3肖勇刚,罗云飞.弹性摩擦接触问题数值解分析.长沙交通学院学报,1999 ,152：1316. 名师归纳总结 4万邦烈,李继志.石油矿场水力机械. 北京：石油工业出版社,1987. 第 7 页,共 7 页5刘合,王中国等.当代有杆泵抽油系统.北京：石油工业出版社,2000.end - - - - - - -