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游梁式抽油機
文獻綜述
前言
有桿抽油系統(tǒng)是國內(nèi)外油田最主要的，也是至今一直在機械采油方式中占主導地位的人工舉升方式。有桿抽油系統(tǒng)主要由抽油機、抽油桿、抽油泵等三部分組成，抽油機是有桿抽油系統(tǒng)最主要的舉升設備。根據(jù)是否具有游梁，抽油機可以分為游梁式抽油機和無游梁式抽油機。由于游梁式抽油機具有結構簡單、工作可靠等優(yōu)點，游梁式抽油機一直是國內(nèi)外油田應用最廣泛的舉升設備。游梁式抽油機井數(shù)量多，其工作性能，特別是節(jié)能性能直接影響采油的成本。因此，完善和發(fā)展游梁式抽油機設計理論，研制節(jié)能效果顯著的節(jié)能型游梁式抽油機對于抽油機井的節(jié)能降耗、提高舉升系統(tǒng)的經(jīng)濟效益具有重要的實際意義。
第一章 抽油機功能及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.1抽油機功能
在石油液氣的開采過程中，抽油機是重要的舉升設備。除了利用底層本身的能量進行自噴采油外，目前所用一切人工舉升采油設備基本都是抽油機。人工舉升采油法稱之為機械采油法。
典型的機械采油法包括無桿抽油和有桿抽油兩種。有桿抽油設備對應的采油機械由地面驅(qū)動設備（各種抽油機）、井下工作設備（各類抽油泵）和能量傳遞裝置（抽油桿或油液舉升機構）等組成。有桿抽油設備按照抽油泵運行方式又分為抽油桿往復運動類和旋轉運動類，前者是通過下入井內(nèi)的抽油桿帶動井下的抽油泵柱塞上下往復運動，將油液送至地面。有桿抽油設備的地面驅(qū)動設備主要有游梁抽油機和無游梁抽油機兩種。無桿抽油設備是各種不采用抽油桿傳遞動力的抽油設備的總稱，此類設備由水電活塞機、電力離心沉沒泵和振動泵、電動潛油離心泵、液壓驅(qū)動類和氣舉采油設備組成。
游梁式抽油機是有桿抽油設備系統(tǒng)的地面裝置，它由動力機、減速器、機架和四連桿機構等部分組成。減速器將動力機的高速旋轉運動變?yōu)榍S的低速旋轉運動。曲柄軸的旋轉運動經(jīng)由四連桿機構變?yōu)閼依K器的往復運動。懸繩器下面連接抽油桿柱，由抽油桿柱帶動抽油泵柱塞（或活塞），在泵筒內(nèi)作上下往復直線運動，從而將油井內(nèi)的油液舉升到地面。
1.2國內(nèi)抽油機研究現(xiàn)狀
抽油機是有桿抽油系統(tǒng)中最主要舉升設備。根據(jù)是否有游梁，可分為游梁式抽油機和無游梁式抽油機。經(jīng)過一百多年的實踐和不斷的改進創(chuàng)新，抽油機不管是結構形式還是在使用功能上，都產(chǎn)生了很大的變化。特別是近幾十年來，世界對原油的需求量不斷加大，對油田深度開采的能力有了更進一步的要求，在很大程度上加快了抽油機技術發(fā)展的速度，催生出多種類型。目前, 國內(nèi)抽油機制造廠有數(shù)十家, 產(chǎn)品類型已多樣化, 但游梁式抽油機仍處于主導地位。根據(jù)公開發(fā)表的資料統(tǒng)計, 我國現(xiàn)有6 大類共45 種新型抽油機[1] , 并且每年約有30 種新型抽油機專利, 十多種新試制抽油機[2] , 已形成了系列, 基本滿足了陸地油田開采的需要。各種新型節(jié)能游梁式抽油機如雙驢頭式抽油機、前置式抽油機、異相曲柄平衡抽油機、前置式氣平衡抽油機、下偏杠鈴系列節(jié)能抽油機[ 3]和用窄V 形帶傳動的常規(guī)抽油機等均已在全國各個油田推廣應用, 并取得了顯著的經(jīng)濟效益。長沖程、低沖次的無游梁式抽油機的研制也取得了一些進展, 如由勝利油田研制的無游梁鏈條抽油機, 經(jīng)過國內(nèi)十幾個油田稠油及叢式井的推廣使用[4], 在低沖次抽油和抽稠油方面已初見成效。此外, 桁架結構的滑輪組增距式抽油機、滾筒式長沖程抽油機已在某些油田進行了工業(yè)試驗[5]; 齒輪增距式長沖程抽油機的研制工作也取得了新的進展; 質(zhì)量輕、成本低、便于調(diào)速和調(diào)整沖程的液壓抽油機經(jīng)過幾年的研制和工業(yè)性試采油, 也積累了一定的經(jīng)驗[6]。其他型式新穎的抽油機如數(shù)控抽油機、連續(xù)抽油桿抽油機、車載抽油機、磨擦式抽油機、六連桿游梁式抽油機和斜直井抽油機等也正處于不斷改造和試生產(chǎn)過程中[7]。然而，游梁式抽油機的缺點是不容易實現(xiàn)長沖程低沖次的要求，因而不能滿足稠油井、深抽井和吉氣井采油作業(yè)的需要。同時，長沖程低沖次的無游梁式抽油機的性能尚有待完善 (如油田正在使用的鏈條式抽油機還存在鏈條壽命短、換向沖擊載荷大和鋼絲繩易斷、導軌剛．度不足容易變形等問題)，而且品種規(guī)格還很少，不能適應當前石油工業(yè)的發(fā)展[8]。 液壓抽油機至今仍處在研制階段[9]。
1.3國外抽油機研究現(xiàn)狀
目前，世界上生產(chǎn)抽油機的國家主要有美國、俄羅斯、法國、加拿大和羅馬尼亞等[10]。為了減少能耗, 提高采油經(jīng)濟效益, 近年來國外研制與應用了許多節(jié)能型抽油機。例如異相型抽油機節(jié)電15%-35%; 前置式抽油機節(jié)電36.8% ;前置式氣平衡抽油機節(jié)電35% ; 輪式抽油機節(jié)電50%-80% ; 大圈式抽油機節(jié)電30%; 自動平衡抽油機節(jié)電30% -50%; 低矮型抽油機節(jié)電5% -20%; ROTAFLEX 抽油機節(jié)電25% ; 智能抽油機節(jié)電17.4%; 螺桿泵采油系統(tǒng)節(jié)電40%-50% [11]。近年來國外很重視改進和提高抽油機的平衡效果, 使抽油機得到更精確平衡。
近年來, 為了節(jié)約能耗、提高采油經(jīng)濟效益, 國外研制與應用了許多節(jié)能型抽油機, 在采油實踐中, 取得較好的使用效果。如變平衡力矩抽油機, 可使上沖程平衡力矩大于下沖程力矩。前置式氣平衡抽油機, 由于可在動態(tài)下調(diào)節(jié)氣平衡, 平衡效果較好。氣囊平衡抽油機有90% 以上載荷得到平衡[12]。雙井抽油機可利用兩口油井抽油桿柱合理設計得到更精確的平衡。自動平衡抽油機可保證在上下沖程每一瞬間得到較精確的平衡效果[13]。
近年來國外研制與應用了多種類型長沖程抽油機, 其中包括增大沖程游梁抽油機、增大沖程無游梁抽油機和長沖程無游梁抽油機[14]。
1 、前置式氣平衡抽油機
美國工Jufkin 公司生產(chǎn)的A 系列前置式氣平衡抽油機具有較好的技術經(jīng)濟指標, 抽油機重量減輕40 %, 尺寸縮小3 5 % , 動載荷較小, 受力均勻, 運轉平穩(wěn), 節(jié)約電耗35 %。
2 、無游梁長沖程抽油機
美國R O T A F L E x 寬帶傳動抽油機實踐表明: 抽油機系統(tǒng)效率為5 % , 而常規(guī)抽油機只有40 %。提升液體能耗比常規(guī)抽油機減少25 % , 可使用29. 4 kw 電動機, 而同級常規(guī)抽油機須用只kw 電動機。美國
Western G e a : 有限公司研制的液壓驅(qū)動無游梁長沖程抽油機占地面積較小, 可節(jié)約電耗10 % 一1 5 % 。美國National Supply 有限公司研制的無游梁長沖程抽油機節(jié)約電耗10 %一20%
3 、智能抽油機
美國National Supply 有限公司研制的智能抽油機減速器峰值扭矩減少34. 7 %, 電動機功率減少1 7. 4 % , 產(chǎn)量增加19 % , 抽油機系統(tǒng)效率平均提高47.8% , 投資費用減少20 % , 成本利用率提高20.7 %。天然氣發(fā)動機驅(qū)動抽油機 美國生產(chǎn)的天然氣發(fā)動機驅(qū)動抽油機可比電動機功率減少30 % , 動力費用與采油成本均較低。
4 、變平衡力矩抽油機
美國Pionner 公司研制了變平衡力矩抽油機, 利用抽油機連桿運動以及新增加的連桿擺動機構作用原理, 使得上沖程時平衡力矩大于下沖程時的平衡力矩, 實現(xiàn)更精確地平衡抽油機載荷、減少抽油機電力消耗的目的。
1.4今后抽油機的發(fā)展方向
抽油機的發(fā)展趨勢主要朝著以下幾個方向。
1.4.1國內(nèi)抽油機發(fā)展趨勢
20世紀9O年代以來，我國東部各主要油田相繼進入中高含水開發(fā)期[17]。為確保高效生產(chǎn)，對抽油機的要求呈現(xiàn)兩個特點：一是急需采用長沖程抽油機，以增加油井的產(chǎn)液量；二是為了降低油井的單位生產(chǎn)成本，對抽油機的節(jié)能性提出了更高的要求[18]。其次就目前抽油機耗電量大，工作效率、能量利用率低這一現(xiàn)狀仍是我國抽油機研究的重點之一，在抽油機效率和節(jié)能方面，還有很大的提升空間，具有非常誘人的前景[19]。
長沖程抽油機的研制應用能力不足一直是我國抽油機發(fā)展的瓶頸，長沖程抽油機具有減小沖程損失、提高系統(tǒng)效率、延長機桿泵的使用壽命、減少故障及提高整機運行質(zhì)量等優(yōu)點[20]。因此, 發(fā)展長沖程抽油機對當前我國老油田高含水井后期開采, 減緩產(chǎn)量遞減速度, 開采稠油、低滲透油田以及沙漠油田深井及超深井的機械開采, 都具有重要的現(xiàn)實意義[21]。游梁式抽油機的局限性十分突出，多方面事實說明，長沖程、低沖次、低功耗的無游梁式抽油機是今后抽油機發(fā)展的主要方向[22]。為適應油田采油需要, 在適當發(fā)展游梁式長沖程抽油機的同時, 應加速開發(fā)各類無游梁式長沖程抽油機[23]。
開發(fā)無游梁曲柄搖桿輪式斜井抽油機和大型斜直井抽油機將對我國油氣資源開采有重要意義[24]。根據(jù)我國實際情況, 發(fā)展無游梁大沖程、低能耗、具有高適應性的直井抽油機和斜井抽油機, 將是我國今后抽油機發(fā)展的主要方向[25]。
近年來，變頻技術在抽油機上得到了廣泛應用。利用變頻控制系統(tǒng)實時調(diào)整工作參數(shù)，提高電機功率因數(shù)，減小供電電流，還可以實現(xiàn)電機的軟起動，減小沖擊，并可根據(jù)油井供液能力實時調(diào)整沖次頻率，實現(xiàn)增產(chǎn)節(jié)能效果[26]；另外研究開發(fā)機電一體化抽油裝置，根據(jù)抽油機井特性實時控制和改變抽油狀態(tài)，實現(xiàn)高效智能化采油[27]。如美國NSCO公司智能抽油機，采用微處理器和自適應電子控制器進行控制與監(jiān)測，具有功能多、抽油效率高、自動化程度高、經(jīng)濟性好、安全可靠、適應性強等優(yōu)點[28]。
研發(fā)大型、高適應性的叢式井抽油機，隨著世界油氣資源的不斷開發(fā)，油層開采深度逐年加大，油田含水量的增多，大泵提液采油工藝和稠油開采等都要求采用大型抽油機[29]?，F(xiàn)代大型抽油機應具備有高適應性，以適應多種惡劣環(huán)境和地層油層的變化，如開發(fā)一種機型能適應不同自然氣候與地貌環(huán)境的差異、地層油層的遷移改變、沖程沖次的改變、油氣層性狀的改變、連續(xù)與間歇抽油的調(diào)整等[30]。另外，由于現(xiàn)代大型抽油機的結構和控制的復雜性，體積的龐大，其工作面積也相應增大，同一抽油機可以對多口相鄰油井同時抽油作業(yè)，采用綜合平衡方式和節(jié)能方式，達到最好的作業(yè)效果[31]。
1.4.2國外抽油機發(fā)展趨勢
如前所述, 世界范圍內(nèi)抽油機技術發(fā)展的總趨勢是向著多樣化、超大載荷、長沖程、節(jié)能型、無游梁式和自動化、智能化方向發(fā)展[32]。
1.朝著大型化方向發(fā)展
隨著世界油氣資源的不斷開發(fā)，開采油層深度逐年增加，石油含水量也在不斷增多，采用大泵提液采油工藝和開采稠油等，都要求采用大型抽油機，所以近年來，國外出現(xiàn)了許多大載荷抽油機，如前置式氣平衡抽油機最大載荷213kN，氣囊平衡抽油機最大載荷227kN等[33]。還會出現(xiàn)更大載荷新型抽油機[34]。采用長沖程抽油方式，抽油效率高，抽油機壽命長，動載荷小，排量穩(wěn)定，具有較好的采油經(jīng)濟效益，所以近年來國外出現(xiàn)了許多長沖程抽油機，如法國Mape公司抽油機，最大沖程10m[35]；美國WGCO公司抽油機最大沖程24.38m，NSCO公司抽油機最大沖程27.48m；原蘇聯(lián)鋼帶式超長沖程抽油機最大沖程1500m。長沖程抽油機全部采用低沖次抽油方式，Mape公司抽油機最大沖次5min，GDCO公司抽油機最大沖次為3min[36]。
2.朝著低能耗方向發(fā)展朝著低能耗方向
為了減少能耗，提高采油經(jīng)濟效益，近年來國外研制與應用了許多節(jié)能型抽油機。例如異相型抽油機節(jié)電15%～35%；前置式抽油機節(jié)電36.8%；前置式氣平衡抽油機節(jié)電35%；輪式抽油機節(jié)電50%～80%；大圈式抽油機節(jié)電30%；自動平衡抽油機節(jié)電30%～50%；低矮型抽油機節(jié)電5%～20%；ROTAFLEX抽油機節(jié)電25%；智能抽油機節(jié)電17.4%；螺桿泵采油系統(tǒng)節(jié)電40%～50%[37]。
3.朝著精確平衡方向發(fā)展
近年來國外很重視改進和提高抽油機的平衡效果，使抽油機得到更精確平衡。例如變平衡力矩抽油機，可使上沖程平衡力矩大于下沖程力矩。前置式氣平衡抽油機，由于可在動態(tài)下調(diào)節(jié)氣平衡，平衡效果較好。氣囊平衡抽油機有90%以上載荷得到平衡。雙井抽油機可利用兩口油井抽油桿柱合理設計得到更精確的平衡。自動平衡抽油機可保證在上下沖程每一瞬間得到較精確的平衡效果[38]。
4.朝著高適應性方向發(fā)展
現(xiàn)代抽油機應具有較高的適應性，以便拓寬使用范圍[39]。例如適應各種自然地理和地質(zhì)構造條件抽油的需要；適應各種成分石油抽汲的需要；適應各種類型油井抽汲的需要；適應深井抽油需要；適應長沖程抽油的需要；適應節(jié)電的需要；適應精確平衡的需要；適應無電源和間歇抽油的需要；適應優(yōu)化抽油的需要等[40]。
5.朝著長沖程無游梁方向發(fā)展
近年來國外研制與應用了多種類型長沖程抽油機，其中包括增大沖程游梁抽油機、增大沖程無游梁抽油機和長沖程無游梁抽油機[41]；實踐與理論分析表明，增大沖程游梁抽油機是常規(guī)游梁抽油機的發(fā)展方向；增大沖程無游梁抽油機是增大沖程抽油機的發(fā)展方向；長沖程無游梁抽油機是長沖程抽油機的發(fā)展方向[42]。
6.朝著自動化和智能化方向發(fā)展
近年來抽油機技術發(fā)展的顯著標志是自動化和智能化。美國Baker提升系統(tǒng)公司、Delta-X公司、APS公司等均研制了自動化抽油機，具有保護和報警功能，實時測得油井運行參數(shù)，及時顯示與記錄并通過計算機進行綜合計算分析，推出最優(yōu)工況參數(shù)，進一步指導抽油機以最優(yōu)工況抽油。美國NSCO公司智能抽油機，采用微處理機和自適應電子控制器進行控制與監(jiān)測，具有抽油效率高、節(jié)電、功能多、安全可靠、自動化程度高、經(jīng)濟性好、適應性強等優(yōu)點[43]。
第二章 常規(guī)游梁式抽油機原理、問題及運動分析
2.1 常規(guī)型游梁式抽油機工作原理及結構特點
圖2-1 游梁式抽油機結構圖
1-底座；2-支架；3-懸繩器；4-驢頭；5-游梁；6-橫梁抽承座；7-橫梁；
8-連桿；9-曲柄銷裝置；10-曲柄裝置；11-減速器；12-剎車保險裝置；
13-剎車裝置；14-電動機；15-配電箱。
常規(guī)型游梁式抽油機由底座、支架、懸繩器、驢頭、游梁、橫梁軸承座、橫梁、連桿、曲柄銷裝置、曲柄裝置、減速器、剎車保險裝置、剎車裝置、電動機、配電箱組成。抽油機工作時，電動機（14）轉速通過三角皮帶帶動減速箱(11)減速后，由四連桿機構(曲柄(10)、連桿(8)、橫梁(7)、游梁(5))把減速箱輸出軸的旋轉運動變?yōu)橛瘟后H頭(4)的往復運動。用驢頭(4)帶動抽油桿做上下往復的直線運動。通過抽油桿再將這個運動傳給井下抽油泵的柱塞。在抽油泵泵筒的下部裝有固定閥(吸入閥)，而在柱塞上裝有游動閥(排出閥)，當抽油桿向上運動，柱塞做上沖程時，固定閥打開，泵從井中吸入原油。同時，由于游動閥關閉，柱塞將上面的油管中的原油上舉到井口，這就是抽油泵的吸入過程。當抽油桿向下運動，柱塞做下沖程時，固定閥關閉而游動閥打開，柱塞下面的油通過游動閥排到它的上面。這就是抽油泵的排出過程。其結構簡圖如圖2-1。
常規(guī)型游梁式抽油機結構特點：支架支撐在游梁中部，曲柄連桿機構和減速器位于支架的后面；曲柄軸中心基本位于游梁尾軸承的正下方。這樣，工作時上下沖程的時間（或曲柄轉角）相等。
2.2常規(guī)型游梁式抽油機存在的問題
能耗大、效率低是抽油機系統(tǒng)存在的主要問題。由于在同一種工況、井況和同一時刻下，井下的能耗因地面游梁機型不同會發(fā)生差異。如示功圖會有所改變，表明泵的充滿度、光桿功率的變化。致使抽油機能耗的主要原因有：
抽油機的負荷特性與異步電動機的硬的轉矩特性不像匹配，甚至出現(xiàn)“發(fā)電機”工況，出現(xiàn)二次能量轉化。一般電動機的負載率過低，約為30%致使電動機以低效率運行。
電動機在一個沖程中的某個時段下落的抽油桿反向拖動，運行于再生發(fā)電狀態(tài)，抽油桿下落所釋放的機械能有部分轉變成電能回饋電網(wǎng)，但所回饋的電能不能全部被電網(wǎng)吸收，引起附加能量損失，同時負扭矩的存在使減速器的齒輪經(jīng)常反向載荷，產(chǎn)生背向沖擊，降低了抽油機的使用壽命。
常規(guī)抽油機的扭矩因數(shù)大，載荷波動系數(shù)CLF亦大，故均方根扭矩大，能耗增加。
常規(guī)抽油機運行的懸點加速度、速度的最大值過大，影響懸點載荷，動載增大。采用對稱循環(huán)工作制度使泵充滿度下降，影響產(chǎn)量。泵效率降低，能耗亦增大。
系統(tǒng)總效率是系統(tǒng)在地面和井下近十個組成部分的分效率和相關反饋系數(shù)的乘積，任何一環(huán)的分效率較低都會造成總效率變低。在相同井況下，井下的損耗因地面抽油機型不同所產(chǎn)生的差異不會很大，因此提高抽油機的效率是解決抽油機系統(tǒng)效率低下的關鍵。
常規(guī)型游梁式抽油機主要有以下不足：
（1）抽油機在運行中傳動角波動較大，無法保證各位置的傳動角均接近90°，造成曲柄軸受力很大且不均勻。
（2）懸點載荷造成的曲柄軸扭矩峰值較大，且為非正弦規(guī)律，而曲柄軸平衡力矩是以正弦規(guī)律變化的，故二者無法相抵，造成曲柄軸上凈扭矩峰值較大，波動劇烈，甚至出現(xiàn)負扭矩。
（3）從能耗的角度來說凈扭矩波動大，必然加大輸入功率，增大能耗。
（4）從裝機功率來說，由于扭矩峰值高，為了保證抽油機的正常運轉，勢必要選用較大功率的電機及大扭矩的減速器，這就是“大馬拉小車”現(xiàn)象。
產(chǎn)生上述問題的原因有以下幾個方面:
（1）常規(guī)型游梁式抽油機的懸點載荷狀況是影響其能耗的主要因素。懸點載荷特性與所用普通電動機的轉矩特性不相匹配，致使電機以較低的效率運行。
（2）常規(guī)型游梁式抽油機的結構特點和抽油泵工作的特點，形成了抽油機特有的載荷特性:帶有沖擊的周期性交變載荷。抽油機運行一個周期包括兩個過程，上沖程和下沖程。上沖程時，懸點要提升沉重的抽油桿和油液柱需要減速器傳遞很大的正向轉矩，下沖程時，輸出軸被懸點載荷(抽油桿自重)正向拖動，使主動軸反向做功，減速器要傳遞較大的反向轉矩。
（3）電機在一個沖程中的某些時段被下落的抽油桿反向拖動，運行于再生發(fā)電狀態(tài)，抽油桿下落所釋放的機械能有部分轉變成了電能回饋電網(wǎng)，但所回饋的電能不能全部被電網(wǎng)吸收，引起附加能量損失。
2.3型游梁式抽油機運動學分析
游梁式抽油機運動分析的主要任務是：求出驢頭懸點的位移、速度和加速度隨時間變化的規(guī)律，以便為載荷分析和扭矩計算提供運動學數(shù)據(jù)。在曲柄角速度等于常數(shù)的情況下，問題也就歸結為求解懸點位移速度和加速度隨曲柄轉角的變化規(guī)律。
圖2-2 常規(guī)型游梁式抽油機運動簡圖
基本參數(shù)及意義表示如下：
A—游梁前臂長度，mm；
C—游梁后臂長度，mm；
P—連桿長度，mm；
R—曲柄半徑，mm；
I—游梁支承中心到減速器輸出軸中心的水平距離，mm；
H—游梁支承中心到底座底部的高度，mm；
G—減速器輸出軸到底座底部的高度，mm；
H-G—曲柄回轉中心至中心軸承的垂直距離，mm；
ψ—C與K的夾角；
S—抽油機的沖程；
n—抽油機的沖次；
P—額定懸點載荷；
K—極距，即游梁支承中心到減速器輸出軸中心的距離，mm；
J—曲柄銷中心到游梁支承中心之間的距離,mm；
θ—曲柄轉角，以曲柄半徑R處于12點鐘位置作為零度，沿曲柄旋轉方向度量；
Φ—零度線與K的夾角，由零度線到K沿曲柄旋轉方向度量；
β—C與P的夾角，稱傳動角；
x—C與J的夾角；
ρ—K與J的夾角；
—K與R的夾角；
—P與R的夾角。
由圖可知：
（2-1）
式中正負號取決于曲柄旋轉方向，曲柄旋轉方向的判斷為：面向抽油機，井口在右側，順時針旋轉為“+”，逆時針旋轉為“-”。
（2-2）
（2-3）
（2-4）
（2-5）
（2-6）
（2-7）
（2-8）
（2-9）
（2-10）
在有“”式中，“+”用于曲柄順時針旋轉，“-”用于曲柄逆時針旋轉。
第三章 應力和強度計算
本章介紹了材料在發(fā)生基本變形時的應力計算，材料的力學性能，以及基本變形的強度計算。
3.1拉伸與壓縮變形
1、橫截面上的正應力
拉壓桿件橫截面上只有正應力，且為平均分布，其計算公式為
(3-1)
式中為該橫截面的軸力，A為橫截面面積。
正負號規(guī)定 拉應力為正，壓應力為負。
公式（3-1）的適用條件：
（1）桿端外力的合力作用線與桿軸線重合，即只適于軸向拉（壓）桿件；
（2）適用于離桿件受力區(qū)域稍遠處的橫截面；
（3）桿件上有孔洞或凹槽時，該處將產(chǎn)生局部應力集中現(xiàn)象，橫截面上應力分布很不均勻；
（4）截面連續(xù)變化的直桿，桿件兩側棱邊的夾角時，可應用式（3-1）計算，所得結果的誤差約為3%。
2、斜截面上的應力（如圖3-1）
圖3-1
拉壓桿件任意斜截面（a圖）上的應力為平均分布，其計算公式為
全應力 (3-2)
正應力 （3-3）
切應力 （3-4）
式中為橫截面上的應力。
正負號規(guī)定：
由橫截面外法線轉至斜截面的外法線，逆時針轉向為正，反之為負。
拉應力為正，壓應力為負。
對脫離體內(nèi)一點產(chǎn)生順時針力矩的為正，反之為負。
兩點結論：
（1）當時，即橫截面上，達到最大值，即。當=時，即縱截面上，==0。
（2）當時，即與桿軸成的斜截面上，達到最大值，即。
3.2應變和胡克定律
1、變形及應變
桿件受到軸向拉力時，軸向伸長，橫向縮短；受到軸向壓力時，軸向縮短，橫向伸長。如圖3-2。
圖3-2
軸向變形
軸向線應變
橫向變形
橫向線應變
正負號規(guī)定 伸長為正，縮短為負。
2、胡克定律
當應力不超過材料的比例極限時，應力與應變成正比。即
（3-5）
或用軸力及桿件的變形量表示為
(3-6)
式中EA稱為桿件的抗拉（壓）剛度，是表征桿件抵抗拉壓彈性變形能力的量。
公式(3-6)的適用條件：
(a)材料在線彈性范圍內(nèi)工作，即；
(b)在計算時，l長度內(nèi)其N、E、A均應為常量。如桿件上各段不同，則應分段計算，求其代數(shù)和得總變形。即
(3-7)
3、泊松比
當應力不超過材料的比例極限時，橫向應變與軸向應變之比的絕對值。即
3.3 材料在拉（壓）時的力學性能
1、低碳鋼在拉伸時的力學性能
應力——應變曲線如圖3-3所示。
圖3-3 低碳鋼拉伸時的應力－應變曲線
卸載定律:在卸載過程中，應力和應變按直線規(guī)律變化。如圖3-3中dd’直線。
冷作硬化：材料拉伸到強化階段后，卸除荷載，再次加載時，材料的比例極限升高，而塑性降低的現(xiàn)象，稱為冷作硬化。如圖4-3中d’def曲線。圖3-3中，of’ 為未經(jīng)冷作硬化，拉伸至斷裂后的塑性應變。d’f’ 為經(jīng)冷作硬化，再拉伸至斷裂后的塑性應變。
四個階段四個特征點，見表1-1。
表1-1 低碳鋼拉伸過程的四個階段
階 段
圖1-5中線段
特征點
說 明
彈性階段
oab
比例極限
彈性極限
為應力與應變成正比的最高應力
為不產(chǎn)生殘余變形的最高應力
屈服階段
bc
屈服極限
為應力變化不大而變形顯著增加時的最低應力
強化階段
ce
抗拉強度
為材料在斷裂前所能承受的最大名義應力
局部形變階段
ef
產(chǎn)生頸縮現(xiàn)象到試件斷裂
表1-1
主要性能指標，見表1-2。
表1-2 主要性能指標
性能
性能指標
說明
彈性性能
彈性模量E
當
強度性能
屈服極限
材料出現(xiàn)顯著的塑性變形
抗拉強度
材料的最大承載能力
塑性性能
延伸率
材料拉斷時的塑性變形程度
截面收縮率
材料的塑性變形程度
2、 低碳鋼在壓縮時的力學性能
圖3-4 低碳鋼壓縮時的應力－應變曲線
應力——應變曲線如圖3-4中實線所示。
低碳鋼壓縮時的比例極限、屈服極限、彈性模量E與拉伸時基本相同，但側不出抗壓強度
3、鑄鐵拉伸時的力學性能
圖3-5 鑄鐵拉伸時的應力－應變曲線
應力——應變曲線如圖3-5所示。
應力與應變無明顯的線性關系，拉斷前的應變很小，試驗時只能側得抗拉強度。彈性模量E以總應變?yōu)?.1%時的割線斜率來度量。
5、鑄鐵壓縮時的力學性能
應力——應變曲線如圖3-6所示。
圖3-6 鑄鐵壓縮時的應力－應變曲線
鑄鐵壓縮時的抗壓強度比拉伸時大4—5倍，破壞時破裂面與軸線成。宜于做抗壓構件。
6、塑性材料和脆性材料
延伸率〉5%的材料稱為塑性材料。
延伸率〈5%的材料稱為脆性材料。
7、屈服強度
對于沒有明顯屈服階段的塑性材料，通常用材料產(chǎn)生0.2%的殘余應變時所對應的應力作為屈服強度，并以表示。
3.4 強度計算
許用應力 材料正常工作容許采用的最高應力，由極限應力除以安全系數(shù)求得。
塑性材料 []= ； 脆性材料 []=
其中稱為安全系數(shù)，且大于1。
強度條件：構件工作時的最大工作應力不得超過材料的許用應力。
對軸向拉伸（壓縮）桿件
（3-9）
按式（3-9）可進行強度校核、截面設計、確定許克載荷等三類強度計算。
3.5許用應力、安全系數(shù)和強度條件
由脆性材料制成的構件，在拉力作用下，當變形很小時就會突然斷裂，脆性材料斷裂時的應力即強度極限σb；塑性材料制成的構件，在拉斷之前已出現(xiàn)塑性變形，在不考慮塑性變形力學設計方法的情況下，考慮到構件不能保持原有的形狀和尺寸，故認為它已不能正常工作，塑性材料到達屈服時的應力即屈服極限σs。脆性材料的強度極限σb、塑性材料屈服極限σs稱為構件失效的極限應力。為保證構件具有足夠的強度，構件在外力作用下的最大工作應力必須小于材料的極限應力。在強度計算中，把材料的極限應力除以一個大于1的系數(shù)n（稱為安全系數(shù)），作為構件工作時所允許的最大應力，稱為材料的許用應力，以[σ]表示。對于脆性材料，許用應力
（3-10）
對于塑性材料，許用應力
（3-11）
其中、分別為脆性材料、塑性材料對應的安全系數(shù)。
安全系數(shù)的確定除了要考慮載荷變化，構件加工精度不同，計算差異，工作環(huán)境的變化等因素外，還要考慮材料的性能差異（塑性材料或脆性材料）及材質(zhì)的均勻性，以及構件在設備中的重要性，損壞后造成后果的嚴重程度。
安全系數(shù)的選取，必須體現(xiàn)既安全又經(jīng)濟的設計思想，通常由國家有關部門制訂，公布在有關的規(guī)范中供設計時參考，一般在靜載下，對塑性材料可??；脆性材料均勻性差，且斷裂突然發(fā)生，有更大的危險性，所以取，甚至取到5~9。
為了保證構件在外力作用下安全可靠地工作，必須使構件的最大工作應力小于材料的許用應力，即
（3-12）
上式就是桿件受軸向拉伸或壓縮時的強度條件。根據(jù)這一強度條件，可以進行桿件如下三方面的計算。
1．強度校核 已知桿件的尺寸、所受載荷和材料的許用應力，直接應用（3-12）式，驗算桿件是否滿足強度條件。
2．截面設計 已知桿件所受載荷和材料的許用應力，將公式（3-12）改成，由強度條件確定桿件所需的橫截面面積。
3．許用載荷的確定 已知桿件的橫截面尺寸和材料的許用應力，由強度條件確定桿件所能承受的最大軸力，最后通過靜力學平衡方程算出桿件所能承擔的最大許可載荷。
第四章 抽油機的規(guī)范
為了確保抽油機使用中的安全，抽油機關鍵部件應遵守下列要求：
1）要求確認適用于井底泵的起重能力；
2)由于在油井的結構、摩擦和動態(tài)加載，潛在額外負荷；
3)對游梁式抽油機結構負荷能力的要求，以適應抽油桿的重量和額外負荷；
4.1 除游梁外所有構件的設計載荷
除非另有規(guī)定，抽油機的所有幾何尺寸，都通過檢查抽油機的上沖程，上述不敬愛呢在曲柄的每個15度位置時的載荷，確認為在不見上的最大載荷。
曲柄所有上沖程位置，應使用光桿載荷，PR。
對于具有雙向旋轉和非對稱扭矩系數(shù)的抽油機，設計計算用的旋轉方向應是其結果能在結構部件上產(chǎn)生最大載荷的方向。而且應適當考慮作用在所有結構軸承和支承軸承的結構件上承載的方向。
4.2除游梁、軸承軸和曲柄外，所有結構件的設計應力
許用應力登記時一下考慮應力上升的簡單應力為基礎的。當發(fā)生應力上升時，適當?shù)膽褂脩邢禂?shù)。
所有結構件的設計應力，應是其材料屈服強度的函數(shù)，。
承受簡單的拉伸、壓縮和不可恢復的彎曲的部件應是具有0.3 S y的極限應力。如拉伸部件在臨界區(qū)發(fā)生應力上升，極限應力應為0.25 S y。
承受可恢復彎曲的部件應具有0.2 S y的極限應力。
下列公式（1）可用于所有起立柱作用的部件：
式中：P=W2 = S y
W2 =作用于立柱上的最大載荷，lb；
a =橫截面積的面積，in2；
S y =材料的屈服強度，lb/ in2；
n =端部限制常數(shù)，假設為1；
E =彈性模量，lb/ in2；
l =l立柱的無支承長度，in；
r =截面回轉半徑，in；
（l/r）=應限定在對大為90，當（l/r）的值等于或小于30時，可以假設立柱處于簡單的壓縮狀態(tài)。
4.3游梁額定設計載荷
一下公式（2）可以用來確定通常游梁的額定值，如圖1所示：式中：
W =光桿載荷的游梁額定值，lb；
fcb =彎曲時許用的壓應力，lb/ in2（見表1最大許用應力）；
S x =游梁的截面模數(shù)，in3。除了在臨界區(qū)中的拉緊輪緣上不允許有孔或焊縫外可以使異相型橫梁的總截面（見圖1）；
圖解：
1.拉緊輪緣的臨界區(qū)； 3.均衡器軸承；
2.支架軸承； 4.驢頭
圖1 游梁的單元
A =從游梁支架軸承中心線到光桿中心的距離，in（見圖1）。
式（2）是以使用單梁軋制鋼材的通常游梁式結構為基礎。對于軋制的游梁總截面可用于確定截面模量，但是，在拉緊輪緣的臨界區(qū)上不允許有孔或焊縫（見圖1）。
非通常的結構或構建的部件，應考慮到載荷的變化，以檢查所有臨界區(qū)的應力，而適當?shù)胤綉瑧邢禂?shù)。
圖1游梁的單元
4.4游梁上的最大許用應力
在式（2）給出游梁的額定值計算，最大許用應力fcb可以從表1來確定。對于其橫截面與水平中性軸線對稱的標準軋制橫梁，能把臨界應力壓入下輪緣中。該應力的最大值fcb是從表1中的第3和第4行較小的值確定的。
表1 結構鋼的抽油機游梁上的最大許用應力（見圖1）
行號
應力
符號
數(shù)值
1
材料規(guī)定的最小屈服強度
Sy
36.000psi
2
彎曲時極限纖維拉伸應力
ftb
11000psi
3
彎曲時極限纖維壓縮應力（不得超過第4行的值）
fcb
4
彎曲時最大壓縮應力，第3行上公式限定的情況除外
fcb
11000psi
式中：
J1 =扭矩常數(shù)，in4；
l = 游梁最長的橫向不支撐長度，in{C或A的較大值（見圖1）}；
E =彈性模量，29000000psi;
ly =慣性的弱軸線力矩，in4；
Gr =剪切模量11200000和
Sx =截面模量，in3；
第五章pro/e建模和ansysy有限元計算
計算機輔助設計（Computer Aided Design）是由計算機完成產(chǎn)品設計中的計算、分析、模擬、制圖、編制技術文件等工作,由計算機輔助設計人員完成產(chǎn)品的全部設計過程,最后輸出滿意的設計結果和產(chǎn)品圖紙的一種機械設計方法。它是最近幾十年來迅速發(fā)展起來并得到廣泛應用的多學科綜性的新技術。計算機輔助設計技術的應用適應了當前產(chǎn)品需提高設計質(zhì)量,快速更新?lián)Q代的需求。計算機輔助設計技術從上世紀50年代末，伴隨著計算機的發(fā)展、計算機運算能力的增強和儲存管式圖形顯示技術的出現(xiàn)而產(chǎn)生。如今CAD技術已經(jīng)發(fā)展了60多年，并且正以強大的沖擊力，影響改變著工業(yè)生產(chǎn)，直至社會的各個方面，使傳統(tǒng)的設計流程、工業(yè)技術方法發(fā)生了深刻的變革。常見的計算機輔助設計軟件可以分為二維軟件與三維軟件兩種，它們在功能與效率上相差很大。
Pro/e和ansys軟件作為計算機輔助設計系統(tǒng)中非常重要的三維設計軟件，它所具有的功能是計算機發(fā)揮輔助設計功能、提高設計效率的重要基礎。
5.1 pro/e在機械制造中的應用
經(jīng)過漫長的發(fā)展歲月，產(chǎn)品設計手段在不斷地提高，不斷進步，不斷成熟。從最早的手工繪圖，到現(xiàn)在的廣泛的使用計算機輔助設計來進行產(chǎn)品的設計，并且以后還會有更先進的設計手段出現(xiàn)。為了提高計算機輔助設計的效果和節(jié)約設計成本和加工時間，我們做了這個關于PRO/ENGINEER技術在產(chǎn)品設計當中的應用的畢業(yè)設計，主要從PRO/ENGINEER的參數(shù)化設計，有限元分析，動態(tài)仿真，逆向工程等方面闡述了PRO/ENGINEER在機械產(chǎn)品設計當中的應用價值及應用前景。本文介紹與應用了PRO/ENGINEER造型設計中的參數(shù)化設計方式，涉及到了孔特征、倒圓角、螺旋掃描、陣列特征等的設計方法。然后通過PRO/ENGINEER的組件的應用程序里的機構功能實現(xiàn)動態(tài)仿真，實現(xiàn)了產(chǎn)品的設計，模擬裝配，模擬運行等過程，充分體現(xiàn)了PRO/ENGINEER在機械產(chǎn)品設計當中的應用價值及應用前景，并且結合了相關的資料討論了一下三維設計的發(fā)展趨勢。
1、Pro/e軟件與傳統(tǒng)二維計算機輔助軟件的比較
傳統(tǒng)的計算機輔助設計系統(tǒng)主要是提供方便的設計工具和手段來輔助設計, 缺乏分析問題和解決問題的能力, 適用于解決算法型或確定型的任務問題。近幾年來, 為了克服傳統(tǒng)計算機輔助設計的不足, 人們將人工智能和專家系統(tǒng)技術應用于計算機輔助設計系統(tǒng), 進行了智能計算機輔助設計系統(tǒng)的研究。眾所周知, 機械產(chǎn)品設計不但涉及到一系列的計算公式、許多的設計標準和規(guī)范以及制圖技術, 而且還要用到許多非數(shù)值的經(jīng)驗性知識, 如開始的概念設計和產(chǎn)品的初步設計則要求設計專家憑借知識和經(jīng)驗來思考、推理和判斷； 而設計過程最一個從“設計- 評價- 再設計直到產(chǎn)生最優(yōu)設計結果”的反復過程, 這就更需要設計專家具有一定的知識性經(jīng)驗, 也就驅(qū)使著專家系統(tǒng)和計算機輔助設計進行結合。很顯然, 概念設計是整個設計過程中最重要的一個階段, 這一階段是設計創(chuàng)造性最為集中的部分, 這一部分與問題的表達和理解的正確與否, 所提方案的優(yōu)劣以及評價和決策的適當與否等有關, 它決定了最終設計的特色、水平和效益。傳統(tǒng)的二維CAD系統(tǒng)起源于計算機圖形學，其智能定位于圖樣繪制，沒有從本身的需求來考慮，大多數(shù)停留在電子圖版的水平。設計者用二維CAD系統(tǒng)來記錄設計結果，設計活動只活動在設計者的頭腦之中，當設計者應用二維CAD系統(tǒng)的時候，設計差不多已經(jīng)結束。其局限性表現(xiàn)如下：
(1) 只是一個繪圖工具而并非設計工具，不能幫助設計者定義設計關系和設計約束，更不能儲存和保持設計關系。
(2) 沒有可變型的產(chǎn)品模型。
(3) 不支持設計的全過程，只能完成繪圖等對提高企業(yè)競爭力不很重要的工作。
(4) 缺乏智力性，只記錄幾何數(shù)據(jù)，缺乏語義信息，不能有效表達設計意圖。
(5) 對產(chǎn)品缺乏完善的分析系統(tǒng)和檢索機制。
由于概念設計的重要性, 一些學者提出了基于決策的概念設計過程模型, 并且用超文本做了技術實現(xiàn)。與過去的設計方法學模型相比, 決策模型并不規(guī)定設計過程應該怎樣,設計師自始至終控制著設計的流程, 具有更大的靈活性； 與形式化模型相比, 決策模型并不被動地模擬設計過程, 而是抽取關鍵的語義和聯(lián)系, 用以描述和支持設計過程, 與傳統(tǒng)的計算機輔助設計方法相比, 它不僅記錄設計的結果, 更強調(diào)記錄和表達設計的過程?？傊? 智能化是機械計算機輔助設計中極具有前途的研究領域。Pro/Engineer能較好地完成挖掘機零部件的三維造型，三維造型時常用以下方法:
① 對形狀比較規(guī)則的簡單零件，利用三維軟件自帶的標準幾何體（方形、圓柱、圓管、圓錐和球、溝槽）庫，直接生成零件實體，如方板、光軸、軸套等。
② 繪制最能反映零件基本特征的幾何草圖，經(jīng)拉伸、旋轉生成三維實體。
③ 沿路徑配置的二維幾何圖形經(jīng)掃描，蒙皮生成曲面形實體。
④ 從草圖入手建模 設計者根據(jù)設計的要求用手勾畫出理想的結構形狀，然后賦予每一條曲線以尺寸約束或幾何約束，使曲線按照設計者的意圖去更新交換，生成參數(shù)化特征的實體建模。從草圖入手建模很容易實現(xiàn)參數(shù)化、標準化、系列化設計，是挖掘機最理想的建模方式。
⑤ 利用三維實體間的布爾運算（交、并、補），將多個簡單零件組合成一體，生成新的實體等等，且生成的實體模型均采用參數(shù)化特征造型。
2、基于特征及參數(shù)化的設計
參數(shù)化技術是指設計對象的結構形狀比較定型, 可以用一組參數(shù)來約定尺寸的關系。多數(shù)與設計對象的控制尺寸有顯然的對應, 設計結果的修改受到尺寸驅(qū)動, 所以也稱為參數(shù)化尺寸驅(qū)動, 參數(shù)化設計技術以其強有力的草圖設計、尺寸驅(qū)動修改圖形的功能, 成為初始設計、產(chǎn)品建模及修改系列化設計、多方案比較和動態(tài)設計的有效手段。參數(shù)化技術的研究工作可追溯到Sutherland早期的 Sketchpad系統(tǒng), 當時已經(jīng)提出并利用了基于幾何約束進行設計與修改的思想。近幾年參數(shù)化技術已有不少種方法, 如變動幾何法、幾何推理法及參數(shù)化操作法等。變動幾何法將幾何約束轉變?yōu)橐幌盗幸蕴卣鼽c為變元的非線性方程組, 通過數(shù)值法解非線性方程組確定出幾何細節(jié), 該方法必須用戶輸入充分且一致的幾何約束才能求出約束方程的解, 對不一致的約束模型則以進行有效的判別與處理, 也難以有效地將局部變動限制在局部范圍求解； 幾何推理法是建立在專家系統(tǒng)的基礎上, 采用謂詞表示幾何約束, 通過推理機導出幾何細節(jié), 這種方法可以檢查約束模型的有效性, 并具有局部修改功能, 但存在著推理速度饅、系統(tǒng)龐大等問題； 參數(shù)化操作法采用參數(shù)化操作表示與處理幾何約束, 并通過與參數(shù)化操作對應的幾何計算程序逐步確定出精確幾何模型, 該方法簡單、實用, 但難以表示與處理復雜的幾何約束。工程設計人員利用參數(shù)化技術, 可以大大計提高只有幾何尺寸發(fā)生變化的零件的設計效率, 避免繁瑣的重復性工作。因此, 參數(shù)化技術已成為pro/e設計中重要的研究內(nèi)容。
以下是基于特征及參數(shù)化的設計的實例，從中我們可以加深PRO/E在產(chǎn)品構件中的優(yōu)勢的直觀了解。
3、pro/e與動態(tài)仿真
產(chǎn)品裝配與機構仿真是pro/e的一項重要功能。當設計師進行產(chǎn)品組裝與機構仿真時，能將設計師的設計意圖直觀的進行表達，可以以動態(tài)的方式將產(chǎn)品進行模擬的運行，也能從中檢驗機構是否存在不合理的像干涉、自由度不滿足等缺陷?？傊擁椆δ軐υO計師提供重要幫助。 產(chǎn)品組裝與機構仿真的一般方法：
在pro/e的裝配模塊中，對產(chǎn)品組裝與機構仿真提供了兩種不同的裝配方法。
1．產(chǎn)品裝配的兩種方法
（1） 約束裝配
當進行普通產(chǎn)品裝配中，不考慮機構運動，或某些元件是固定不動的，那么在裝配時可采用約束條件進行裝配。
（2） 連接裝配
當進行機構運動仿真時，其機構組裝必須考慮到哪些元件是運動的，哪些元件是固定不動的，對運動的元件要采用連接條件進行裝配。
其中約束裝配僅僅時按系統(tǒng)提供的方式，將機構各元件按一定的連接方式進行組裝。這樣得到的只是一個相對直觀的產(chǎn)品外觀的展示。而要想實現(xiàn)機構的動態(tài)仿真，各元件的連接方式就必須采用“連接裝配”。因為系統(tǒng)中所提供的連接方式具有不同的自由度，在裝配過程中就要按照自己的裝配關系意圖，再采用相應的連接方式。這樣“應用程序”中的“機構”分析模塊中才能定義各種伺服電機的參數(shù)，得到預期的動態(tài)仿真過程。
5.2 ansys在石油機械設計中的應用
在現(xiàn)代化的石油機械與壓力容器設計工業(yè)中，產(chǎn)品的設計愈來愈精細、復雜，市場競爭要求石油機械與壓力容器設備的性能指標大幅度提高，而ANSYS這樣的CAE工具，在許多方面為石油石化企業(yè)保持競爭優(yōu)勢提供了強有力的技術保證。ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的大型分析設計類軟件，是美國機械工程師協(xié)會（ASME）、美國核安全局（NQA）及近二十種專業(yè)技術協(xié)會認證的標準分析軟件。在國內(nèi)第一個通過了中國壓力容器標準化技術委員會的認證并在國務院十七個部委推廣使用。
1、抽油機設計
對于抽油機設計中諸如：抽油機總成、支架、游梁曲柄連桿機構、動力裝置以及各個零部件的設計等，ANSYS 都可以發(fā)揮出其分析計算優(yōu)勢，使得設計的各部件尺寸合適、性能最佳，達到提高抽油機產(chǎn)品性能，降低生產(chǎn)成本的目的。
圖3 采用ANSYS 的靜力及屈曲分析功能對游梁式抽油機支架的強度、剛度與穩(wěn)定性進行分析
2、高壓閥門結構優(yōu)化設計
ANSYS 程序提供了兩種優(yōu)化的方法：零階和一階方法。零階方法是一個很完善的處理方法，可以很有效地處理大多數(shù)的工程問題。一階方法基于目標函數(shù)對設計變量的敏感程度，因此更加適合于精確的優(yōu)化分析。這兩種方法可以處理絕大多數(shù)的優(yōu)化問題。
對于這兩種方法，ANSYS 程序提供了一系列的分析——評估——修正的循環(huán)過程。就是對于初始設計進行分析，對分析結果就設計要求進行評估，然后修正設計。這一循環(huán)過程重復進行直到所有的設計要求都滿足為止。除了以上兩種優(yōu)化方法，ANSYS 程序還提供了一系列的優(yōu)化工具以提高優(yōu)化過程的效率。例如，隨機優(yōu)化分析的迭代次數(shù)是可以指定的。隨機計算結果的初始值可以作為優(yōu)化過程的起點數(shù)值。
油田生產(chǎn)中使用的一種大通徑高壓閥門，其設計通徑達82mm，使用內(nèi)壓16MPa，為保證安全，根據(jù)設計方要求，針對該閥門的設計原型進行了三維有限元強度分析與結構形狀優(yōu)化設計，通過ANSYS 分析使得優(yōu)化后的閥門最大應力降低達20％。下圖給出ANSYS 計算結果。
圖4 井口高壓閥門應力分析與優(yōu)化
3、恒流量往復泵凸輪傳動機構凸輪副接觸應力計算
ANSYS 的疲勞與蠕變分析功能能解決常值載荷或常值位移作用下元器件的非線性變形或松弛，確定在周期載荷、隨機載荷以及變化的熱場作用下部件或整體結構的疲勞壽命，程序提供了超彈性、多線性、Anand 模型、粘彈性、超塑性等材料模式。
某型號油田鉆井泵傳動機構的凸輪副曾經(jīng)一度出現(xiàn)短期損壞，嚴重影響了油田生產(chǎn)，采用ANSYS 仿真分析技術對凸輪傳動機構以及凸輪副的接觸應力進行了分析，并對凸輪副進行相應的形狀優(yōu)化設計，有效地解決了凸輪副短期失效問題。圖5 凸輪副接觸應力。
圖5 凸輪副接觸應力
4、真空過濾器
揚子石化設計的真空過濾器長度為2774mm，最大外經(jīng)Φ1700mm，過濾器之上分布3570個Φ28mm 的濾孔。結構為薄殼網(wǎng)狀筒形，過濾器在自重、物料重及真空度作用下承受扭矩。為保證過濾器安全，由石油大學采用ANSYS 對過濾器進行變形與剛度分析，為改進設計提供參考依據(jù)。分析模塊：結構分析。單元類型：典型薄殼，選擇SHELL93、SHELL63 單元。圖6-6 給出建模與計算結果。
圖6 真空過濾器建模與計算結果
5、同軸式反應－再生器
催化兩器－反應再生器是煉廠關鍵設備之一，近幾年來催化兩器曾發(fā)生過多起裂紋引起的失效案例。為了降低兩器設計應力水平，提高安全度，采用ANSYS 的熱分析與結構分析以及耦合模塊，對同軸式反應－再生器的整體結構、封頭、筒體、裙座、封頭、人孔與接管等部位進行了全面溫度場模擬與結構應力分析，并進行了適當結構尺寸改變，達到了減低工作應力的目的。以下給出計算結果。
圖7、ANSYS 同軸式反應－再生器分析結果
6、預處理塔應力及疲勞分析
ANSYS 對預處理塔進行應力與疲勞分析的計算結果見下圖。
圖8 ANSYS 預處理塔應力及疲勞分析
7、換熱器應力分析
ANSYS 對換熱器的管板、封頭、波紋管等部件進行溫度與應力分析，分析結果見下圖。
圖9、ANSYS換熱器應力分析
8、焊接過程殘余應力分析
機械裝備與壓力容器多用焊接結構連接，ANSYS的“單元死活技術”、和“相變分析技術”為焊接過程的模擬提供了完善的解決方案。單元死活技術可以模擬材料的去除與添加過程，隨焊縫中焊料的不斷加入，可不斷激活相應的部分單元，使其參與傳熱承載相變分析可準確地模擬焊料由液相到固相的過程，待計算到焊縫中的焊料全部冷卻凝固，即可以得到焊接件的殘余應力和變形；改變單元激活的步驟及時間，即可得到不同的焊接工藝的焊接結果，從而為焊接過程的優(yōu)化提供依據(jù)。
圖10ANSYS進行的焊縫應力分析，分析中采用了“死活單元”技術
9、疲勞與剩余強度分析
ANSYS 具有功能強大的疲勞分析能力，疲勞分析具有以下特點：
·方便的用戶操作面板
·豐富的材料數(shù)據(jù)庫
·多種的載荷歷史組合方式
·考慮多種影響疲勞壽命的因素
·豐富的疲勞分析模型
·分析結果的3D 顯示
圖11 ANSYS 容器接管疲勞分析
圖12 ANSYS 連接件接預緊疲勞分析 圖13 ANSYS 階梯軸斷裂疲勞分析
參考文獻
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