基於有限元法的折臂抓（zhuā）管機機械臂應（yīng）力分析及評定-機器人-數控機床（chuáng）市場網

您現在的位置：機（jī）器人> 加工與維修> 基於有限元（yuán）法的折臂抓管機機（jī）械臂（bì）應力分析及評定

基於有（yǒu）限元法的折臂抓管（guǎn）機（jī）機械臂應力分析及評定

2017-5-16 來（lái）源：沈陽新鬆機器人自動化股份有（yǒu）限公司作者：高世卿李慶傑謝冰皮景峰胡帥

摘要: 折臂抓管機是深海（hǎi）鑽機管處理係統（tǒng）的關鍵設備，文中利（lì）用 Ansys 軟（ruǎn）件建立了折臂抓管機機械臂的有限元（yuán）模型，通過計算（suàn）得（dé）到模（mó）型的應力大小和分布，根據應力（lì）線性化原理提取了關鍵部位的應力（lì）狀態，進行（háng）分類（lèi）識別、提取和評定（dìng），給出了應力強（qiáng）度評（píng）定結果，為此類非標（biāo）準件的（de）應力計算和（hé）結構優化提供了參考。

關鍵詞（cí）: 折臂抓管機; 應力線（xiàn）性化; 應力評定; 有（yǒu）限元（yuán）分析

0.前（qián）言

在深水及超深水（shuǐ）海域的勘探開發中，折臂抓管機將鑽杆堆場中水平放置的鑽杆移運到井（jǐng）口，並翻（fān）轉為豎（shù）直狀態，或者將井（jǐng）口上方拆卸下的豎（shù）直鑽杆，翻轉並（bìng）移運到鑽（zuàn）杆堆場，其在鑽機管處理係統中起著非常重（chóng）要的作用［1］，未來在石化行業中的使用會日益廣泛。但同時由於其結（jié）構的非標準化，在（zài）對其進行應力分析和安全評定時，某些結構無法用強（qiáng）製（zhì）性的準則來計（jì）算而隻能參照現有準則通過簡化、當量化等手段來進行（háng）計算［2］，所以（yǐ）其結構（gòu）的（de）合理性和使用的安全性也越（yuè）來（lái）越受（shòu）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（duì）其進行應（yīng）力強度（dù）評定，該校核方法為此類非（fēi）標（biāo）準件（jiàn）的應（yīng）力計（jì）算（suàn）和結構優化提供（gòng）了參考。

1.折（shé）臂抓管機結構原理

折臂抓管（guǎn）機作為鑽機管處理係統的關鍵設備，通常由基座、轉台、機械臂及抓管軛 4 部分組成（chéng）。圖 1 為抓管機機構原（yuán）理圖，顯（xiǎn）示（shì）了折臂（bì）抓管機完全伸展、工作及完全縮回等狀態。機械臂（bì）位於基座與抓管軛（è）之間，是折臂抓管機執行動作（zuò）和承受載荷的主要構件，對結構的合理性（xìng）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（rú）圖 2 所示。

本文以折（shé）臂抓管機的內（nèi）臂為例進行（háng）計算分析，機械（xiè）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（wéi） HG785E，有關參數如表 1 所示。

表 1 材料的物理和（hé）力學參數（shù）

2.數值模型和計算結果（guǒ）

2. 1 模型簡化

由於該（gāi）機械臂結構是沿著中間麵對稱的（de），而且約束和載荷也是（shì）沿中間麵對稱的，因此，可以對機械臂（bì）沿（yán）中間麵（miàn）分開的 1 /2 結構進行分析，在不影響計算精度與結果的同（tóng）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（cǎi）用 Solid 95 單元對模型進行劃分，如圖 4 所示，在應力集（jí）中（zhōng）處進行單元細化，以提高計算精度。

2. 3 施加載荷和約束

由於將模型簡化為實際模型的 1 /2 進（jìn）行計算，所以在對稱邊界上（shàng）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（tóng）的，這裏選用載（zǎi）荷為 37. 5 k N、夾鉗工作位置在水平方向和垂直方向分別（bié）為 10 m 和 4. 5 m 的姿態時對機械臂進行分析，經計算得出各杆受力 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（jiē）孔加載相應的作用力，並且加載模型自身的重力。

2. 4 計算結果及（jí）分析

通過（guò）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（fèn）布在耳板與機械臂底板連接處，該部分具體（tǐ）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（xìng）化原理

抓（zhuā）管機在工（gōng）作過程中（zhōng），由載荷或者約束產生的應（yīng）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（de）作（zuò）用程度不同需要將這些應力進（jìn）行分類。基於合力等效和合力（lì）矩等效的基本原理，Kroenke 等［3］提出了從計（jì）算應力中分解出薄膜應力和彎曲應力的有效（xiào）方法，簡（jiǎn）稱為（wéi）應力等效線性（xìng）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（chéng） 3 個部分: 1) 與合力等效的（de）、沿（yán）截（jié）麵厚度 ( 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、沿截麵厚度 ( 或 SCL) 線性（xìng）分布的彎曲（qǔ）應力; 3) 合力和（hé）合力矩均為零的、沿截麵（miàn）厚度 ( 或 SCL) 非（fēi）線性分布的峰值（zhí）應力。薄膜應力存在於整個設備範圍之中，所以它（tā）對罐體的失效危害程度是（shì）最大的。一次薄膜應力對（duì）於機械臂結構的影（yǐng）響隻存在於局（jú）部結構中，並且其存在（zài）於結構的不連續處，會導（dǎo）致邊緣應力的存在。彎曲應力是沿著厚度方向（xiàng）呈線性分布的，它的危害性（xìng）比一次（cì）薄膜應力（lì）要小。但是在設（shè）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（lù）徑來確定典型的評定（dìng）截麵（miàn）。首先（xiān）查找顯示在應力強度雲圖（tú）上的高（gāo）應力強（qiáng）度區域，且在結構不連續（xù）部位（wèi）選取內外壁上相對（duì）的兩個節點，設置貫穿壁厚的（de）路徑，將數據映（yìng）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（yǔ）機械臂底板（bǎn）連接處，屬於（yú）局部位置。選擇最大的應力強度（dù）對路徑進行線性化（huà）處理，總應力、薄膜應力、薄膜應力加彎曲應力的（de）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（dù）評定

3. 3 路徑 2

強度評定路徑 2 為機械臂底板上（shàng）耳板與底板連接處附近的位置。總應（yīng）力線性（xìng）化（huà）處理後，總應（yīng）力、薄膜應（yīng）力、薄膜（mó）應力加彎曲應力（lì）的線性化結果如圖 7所示。評定結果見表 3。

表（biǎo） 3 路徑 2 上應力（lì）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（bì）上蓋板應力最大處。總應力線（xiàn）性化處理後，總應（yīng）力、薄膜應力（lì）、薄膜應力加彎曲應力的線性化結果如圖 8 所示。評定結果（guǒ）見（jiàn）表 4。

表 4 路徑 3 上應力線性化結果強度評定

4.結（jié）論

利用 Ansys 軟件建（jiàn）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（xiè）臂底板連接處，其中最大應力達到（dào） 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（dìng），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（jiàn）的應力計算（suàn）和結構優（yōu）化（huà）提供了參考。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發（fā）表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多（duō）

行業數據

| 更多

博文選（xuǎn）萃

| 更多