solidworkscosmos的頂部驅(qū)動系統(tǒng)主軸實(shí)踐
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摘要：主軸是頂部驅(qū)動系統(tǒng)中極其重要的零件，在設(shè)計(jì)中，必須對其進(jìn)行強(qiáng)度分析。介紹了運(yùn)用solidworks中的插件 cosmosworks 對中軸的強(qiáng)度進(jìn)行分析，相對于其他有限元軟件簡單實(shí)用，提高了工作效率。通過對主軸在有限元分析中應(yīng)力分布，找到零件存在的問題。
論文關(guān)鍵詞：頂部驅(qū)動系統(tǒng),solidworkscosmos,軸
頂部驅(qū)動鉆井技術(shù)是20世紀(jì)80年代國際鉆井領(lǐng)域中興起的一項(xiàng)新的鉆井技術(shù)，是旋轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)的一次重大突破，受到世界各國石油裝備公司的高度重視，且在國際石油工業(yè)中得到迅速的發(fā)展，相繼研制開發(fā)了各種型號的頂部驅(qū)動系統(tǒng)，在石油鉆井中的使用數(shù)量呈逐年增加的趨勢。
1 設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)過程
Solidworkscosmos是一種新的有限元分析(FEA)解決方案,從簡單的應(yīng)力和分布方式測試到更為復(fù)雜的分析(例如,沖擊測試、非線性和疲勞分析),COSMOS都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它為用戶得到高質(zhì)量分析結(jié)果提供了簡單而高效的方法,同時(shí)滿足高端用戶在簡單的FEA軟件實(shí)現(xiàn)完全的分析控制的需求,從而幫助客戶真正實(shí)現(xiàn)縮短上市時(shí)間、減少成本并提升工程生產(chǎn)力。
頂部驅(qū)動系統(tǒng)主軸的基本參數(shù)：拉力載荷：4E+6N(400tf)；扭矩：6.78E+7N.mm（50000lb.ft）；泥漿液壓力：35Mpa。材料為：42GrMo，，其屈服極限為1080Mpa。
1.1 三維建模
根據(jù)圖紙要求，建立了主軸的三維實(shí)體模型，為主軸的力學(xué)分析奠定了模型基礎(chǔ)。頂部驅(qū)動系統(tǒng)及其主軸如圖1所示。
圖1 頂部驅(qū)動系統(tǒng)及其主軸
1.2 載荷和邊界條件的確定
對于主軸的力學(xué)有限元分析，主要是結(jié)合理解定義載荷大小和約束條件，劃分單元網(wǎng)格。對于該主軸其工況簡單，載荷為：拉力載荷：4E+6N(400tf)；扭矩：6.78E+7N.mm（50000lb.ft）；泥漿液壓力：35Mpa。約束邊界條件為：大圓盤外表面限制其水品位移；大圓盤下底面限制軸向位移。
2 在solidworkscosmos中靜力分析
Cosmosworks和Ansys一樣都必須按照其靜力分析的基本過程進(jìn)行。
(1)建立靜態(tài)研究并設(shè)置材料屬性。如圖2所示。
�、俅蜷_“研究”對話框,定義研究類型為“靜力分析”;分析類型為“靜態(tài)”點(diǎn)擊“完成“。
�、谟覔�“靜力分析“,點(diǎn)擊”屬性“,打開”static“對話框。確保解算器為“FFEPlus”(迭代方法)和“使用
軟彈簧使模型穩(wěn)定”選項(xiàng)被選中。點(diǎn)擊“確定”,關(guān)閉對話框。
圖2 靜力分析屬性對話框設(shè)置
(2)建立約束并施加載荷
�、冱c(diǎn)擊“力”按鈕,選擇施加力的類型為“應(yīng)用扭矩”;加載的面選擇下方接箍曲面;選擇“基準(zhǔn)軸1”作為參考軸;設(shè)置扭矩為6.78E+7N.mm。點(diǎn)擊“確定”完成“力-1”的創(chuàng)建，如圖3所示。
②點(diǎn)擊“離心力”按鈕,選擇“基準(zhǔn)軸1”作為離心力的參考軸,并設(shè)置轉(zhuǎn)速。如圖3所示。
③點(diǎn)擊“壓力”按鈕，選擇“垂直于所選面”;加載主軸內(nèi)孔壁圓柱面；設(shè)置壓力值為35Mpa。
�、茳c(diǎn)擊“力”,選擇“應(yīng)用正常力”,選擇下端面,輸入力值為4E+6N。如圖3所示。
⑤點(diǎn)擊“約束”按鈕,制約面選擇大圓盤底面處、圓柱表面。類型選擇“在圓柱面上”,該種約束是指定圓柱面只能繞自己的軸旋轉(zhuǎn)。注意不可選擇“不可移動”約束,“不可移動”約束是將所有平移自由度設(shè)定為零,它不適用于旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。
(3)劃分網(wǎng)格并運(yùn)行,劃分網(wǎng)格時(shí)注意設(shè)置網(wǎng)格的大小，在截面突變或應(yīng)力集中處，將這些地方的網(wǎng)格細(xì)化，如圖4所示
圖3 施加載荷
圖 4 網(wǎng)格劃分
�。�3）結(jié)果分析
圖5和圖6分別為主軸的應(yīng)力和位移圖解。從圖5中可以看出最大應(yīng)力發(fā)生在接箍的根部，最大值為333MPa,其安全系數(shù)較低，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，對其解決方法為接箍的根部倒圓，建議倒角R2.5。圖6中顯示的最大位移在要求位移范圍內(nèi)，該零件的剛度滿足要求。
圖5 主軸應(yīng)力分布圖解
圖6 主軸位移圖解
3 結(jié)論
本文中作者利用solidworks內(nèi)部集成的cosmosworks，便于工程人員掌握，并且分析可靠。利用該技術(shù)進(jìn)行力學(xué)分析和強(qiáng)度校核提高了設(shè)計(jì)效率，設(shè)計(jì)水平，比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法優(yōu)勢明顯。
參考文獻(xiàn)
[1]孫茂才.金屬力學(xué)性能[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)出版社，2003.
