CAE、FEA技术在产品研发中的应用

设计与计算 CAE、FEA技术在产品研发中的应用

CAE、FEA技术在产品研发中的应用

摘 要：CAE、FEA技术已经在机械制造领域中得到广泛的应用，本文就CAE、FEA技术在机械厂抽油机、压力管道、油套管产品研发涉及到的动、静力学领域的平面、实体、装配、接触以及复杂问题典型应用进行介绍。通过Pro/e、ANSYS等CAE、FEA软件的应用，加强机械厂产品结构设计的理论基础，对产品设计和优化有较高的指导作用。

关键词：CAE；FEA；产品研发；应用；Pro/e；ANSYS

Application of CAE and FEA Technology for Production Research

LI Donghai

Research Institutes，Machinery Plant TUHA Oilfield Company

Abstract: CAE&FEA technology were widely used in machinery and manufacture field. The paper

introduces the typical application of CAE&FEA technology in which plane, solid, assembly, contract and

complication structure questions, which is relating to dynamic & static mechanics and product research of

Pumping Units, pressure pipe ,tubing and casing pipe. The application of Pro/e and ANSYS of CAE&FEA

software strengthen the structure design theory base, and highly instruct the product design and

optimization.

Key words: CAE;FEA;product research;application;Pro/e;ANSYS

前言

1）相关技术的介绍

CAD（Computer Aided Design）计算机辅助设计，是利用计算机数据计算和图像处理功能，完成产品外观设计、结构设计、机构优化、二维三维工程图等工作。

CAE（Computer Aided Engineering）计算机辅助工程，是利用计算机数值模拟技术结合机构和结构优化及FEA技术，主要用于结构优化、仿真以及FEA有限元分析等领域。

FEA（Finite Element Analysis）有限元分析，是近似求解一般连续问题的数值方法，最先用于结构应力分析，很快就广泛的应用于求解传导、电磁场、流体力学等连续域问题。主要用于产品结构的静、动力学有限计算、热力学分析、场分析、流体计算、结构优化、疲劳分析等方向。

目前，CAD、CAE、FEA技术越来越密不可分，其中ANSYS Workbench已经将CAD、CAE、FEA有机结合在一起，形成协同仿真统一平台。

2）国内外CAE、FEA技术应用

目前，国内外CAE、FEA技术已经在航天、航空、汽车、机械、电子等高科技领域中得到广泛的应用，并取得了显著的经济效益。在石油天然气领域，该技术也已经在地球物理勘探、油气开发工程、石油钻井工程、采油工程、油田地面工程建设、石油机械工程、油气储运工程、海洋石油工程、压力容器设计等行业中得到应用。 设计与计算 CAE、FEA技术在产品研发中的应用

三维CAD机械设计软件有：中低端软件SolidEdge、SolidWorks等软件，其只具有CAD功能，多用于简单钣金行业；中高端综合软件有Pro/E、 UG等，它们是CAD、CAM、CAPP、CAE集成化通用性强，适合中型企业使用，软硬件投资较大；高端综合软件有I-DEAS,CATIA等，也是具有CAD、CAM、CAPP、CAE一体的集成化软件，一般用于航空、航天、轿车行业，软硬件投资大。

CAE软件有：综合CAE软件如 ANSYS、MSC等，包括结构、热力学、流体、场、疲劳、优化等功能，软硬件投资大；专业CAE软件有Dynaform、Deform等，多用于金属塑性成型、大变形分析，如冲压、锻造、折弯的分析计算；另外还有上述集成CAD、CAE软件一体集成化软件，如Pro/E、UG、CATIA、I-DEAS等，它们集CAD、CAE软件功能一体，设计分析效率高，成本低。

由于CAE、FEA技术初期软硬件投入大，而国内的石油机械企业规模相对较小，因此目前在国内石油机械行业中发展较慢，处在较低层次。目前，只在国内宝石、江汉四机厂、北京石油勘探开发研究院、渤海装备公司、南洋机械厂等大型石油机械企业中得到应用。

1 CAE、FEA技术的典型应用

根据结构受力方式的不同，可以划分成静态、准静态、动态三类问题。

静态所受的外力的合力为零，即0F。

适用对象主要是刚架（梁）、桁架、板壳以及实体零部件，属于结构力学领域。可解决线性问题（如：线弹性力学小变形范畴，分析结果主要是应力、应变、变形或位移）、非线性问题（如结构非线性、大变形、屈服、接触等。油管螺纹分析就属于非线性问题）。

“准” 静态所受的外力的近似为零，即0F。最典型的就是金属塑性成型过程。主要分析以各类成型制造过程，如：深拉、液压成形、超弹成形、轧制、挤压、 冲压、 机加工等。油管镦头和液压加厚、套管护丝钢套成型均属于此类问题。

动态所受的外力等于其惯性力，即maF。主要分析碰撞问题（如碰撞、侵入、跌落）、模态分析、机械振动、以及其它动力学问题。钢管碰撞、汽车碰撞、子弹侵入、电气跌落、抽油机失载冲击均属于此类问题。

本文主要在结构静态线性方面的平面应力和应变、三维实体、钢架结构；在结构静态非线性方面的装配过盈、螺纹接触、接触螺栓焊缝复杂联接结构；结构动态方面的惯性转动、模态；准静态方面金属塑性成型分析；以及疲劳分析等方面的应用成果进行介绍。分析软件主要使用的是Pro/E、Pro/M、ANSYS、ANSYS Workbench、Deform 3D。

1.1 结构静态线性分析

将从平面应变问题、三维实体结构问题和钢架结构的分析及应用三个方面进行介绍。

1.1.1 平面应变问题分析及应用：胶管接头的分析

鲁克沁采油厂掺稀胶管接头改造，需要在原有胶管接头本体上钻孔后焊接一个螺纹接管。要求胶管接头承压20MPa，本体材料35CrMo。结构如图1。

1）胶管接头手工理论分析

管体的厚度与直径属于同一量级，按照厚壁圆筒计算可得厚壁圆筒径向应力rσ、周向应力σ，见式1-1。其应力分布见图2。 设计与计算 CAE、FEA技术在产品研发中的应用

φ60.3φ316×φ49Lφ15φ221/2L114φ2021

1-胶管接头本体,2-螺纹接管

图1 胶管接头改造结构

）（）（22221)(1)(22212221rbrbrabaPabaP （1-1）[1]

可以确定内孔为危险点，由第三强度理论得到： p1σθ+σr-p1ab

图2 厚壁圆筒应力分布图

；][)(222213abbPrxd （1-2）[1]

其中：

P1——内压力；

r ——对应半径；

计算结果见表1。

表1 各截面应力

部件 材料 许用应力

（MPa） 最大径向应力

（MPa） 最大周向应力

（MPa） 最大第三强度

等效应力（MPa）

胶管接头本体正常截面 35CrMo 250 -20.00 34.37 54.37

胶管接头本体危险截面 35CrMo 250 -20.00 46.69 66.69

螺纹接管 35 118 -20.00 47.22 67.22

对表1上述计算结果可以确定：1）螺纹接管、胶管接头本体危险截面最大应力相当，均满足静强度的设计要求；2）许用应力相差较大，并存在压力脉动载荷，接管的疲劳安全系数较低。

2）平面应变有限元分析

胶管接头本体、螺纹接管的长度尺寸较面积相比较大，边界作用力对截面的影响可以忽略，并且作用力垂直厚度平面，因此可简化成平面应变问题进行校核。[2]

FEA理论基础是：将连续结构离散，划分成有限单元网格。利用弹性力学的三个基本方程（式1-3、1-4、1-5）和协调方程（约束和边界条件），可建立单元位移方程（式1-6），再确立各单元之间的整体位移方程（式1-7）。采用有限元法，就可以求解上述方程的数值解。

平衡微分方程：

00YyxyyyXyxyxx （1-3）[3]

几何方程：xvyuyvxuxyyx（1-4）

物理方程：xyGxyzxyEyzyxEx111)()( （1-5）

单元位移方程：eeeRδ[K] （1-6）

整体位移方程：Rδ[K] （1-7）

第三强度等效应力计算结果分别见下面图设计与计算 CAE、FEA技术在产品研发中的应用

3、4、5，以及见表2。

图3 胶管接头本体正常截面 图4 胶管接头本体危险截面 图5螺纹接管截面

表2 各截面FEA应力

部件 材料 许用应力

（MPa） 最大径向应力

（MPa） 最大周向应力

（MPa） 最大第三强度等效应力(MPa)

胶管接头本体正常截面 35CrMo 805/3.2=250 -19.999 34.369 54.368

胶管接头本体危险截面 35CrMo 805/3.2=250 -20.001 46.696 66.695

螺纹接管 35 315/2.7=118 -20.000 47.222

67.223

3）总结

FEA平面应力计算结果和手工计算完全吻合，验证计算的正确性。

1.1.2 三维实体结构问题分析及应用：胶管接头的分析

上面将胶管接头三维实体转化为平面问题，可以简化计算量、并较准确确定指定截面的应力分布情况，但对焊缝、开孔、接管等问题无法进行分析。在这种情况下进行了胶管接头的三维实体结构的分析。

在实体模型向物理模型转化时，做以下假设：胶管接头本体、螺纹接管、焊缝三件实体，通过ANSYS的Add命令将3个实体整合为一个零件，本体、螺纹接管配合面有1mm间隙（即配合面处受20MPa内压力），其余内表面施加20MPa内压；取一半实体进行对称分析，对称面施加对称约束边界条件；胶管接头本体一端固定，一段受到7.18MPa拉应力；接管外伸一端受到13.6MPa拉应力，一端受到20MPa内压力。