基于Simulation设计洞察图解进行转盘支座的优化

石喜军

摘 要：转盘支座是带压作业装置的关键承力件，它的强度直接影响了整体设备的安全性。在SolidWorks Simulation仿真分析的基础上，用设计洞察图解分析转盘支座各部分承受载荷的有效情况，优化了设计方案，转盘支座的重量减少了20.98%，最大应力减少了6.8%。

关键词：带压作业装置；转盘支座；simulation；仿真分析；设计洞察图解；优化

带压作业是在保持井筒内一定压力，不压井、不放压的情况下进行起下管柱，实施增产措施的一种先进的井下作业技术，能够减轻对产层的污染，最大限度地保护原始地层，改善作业环境，同时给油田中后期的稳产带来较大的保障，其独特的优势已经得到业界的普遍认可[1-2]。转盘支座是带压作业装置中连接举升油缸和液压转盘的部件，承受来自转盘、游动卡瓦和管柱的重力或上顶力，是带压作业装置的关键承力件，所以它的强度尤其重要，直接影响了整體设备的安全性。

1 优化原理及方法

在SolidWorks Simulation仿真分析的基础上，设计洞察图解可以在载荷和约束之间标绘一连续路径，图解半透明部分没有实体部分那样有效承受所应用的载荷，这些半透明区域为追求降低重量设计而可完全移除，而实体区域为了增加强度则可以适当加强。

2 转盘支座安装示意图

转盘支座与举升油缸和液压转盘连接示意图如下：

转盘支座底板四个锥孔与四个举升油缸的活塞杆连接，转盘放在顶板上，用螺栓连接。转盘上部装有游动卡瓦，而卡瓦夹紧管柱，承受管柱重量，最终作用在转盘支座上。

3 仿真分析及优化

3.1 对初始方案进行仿真分析

此处假设管柱及转盘卡瓦等总重100T，将转盘支座初始方案输入SolidWorks Simulation，建立有限元模型，施加载荷100T，运行仿真分析，得出以下结果：

转盘支座初始方案的重量为791.845kg，可以看出最大应力为200.2Mpa，安全系数为610/200.2=3.05>3，符合标准要求[3]。

3.2 根据设计洞察图解进行改进

定义设计洞察图解，压缩体积设定为20%，可以看出载荷主要作用在底板锥孔处和筋板上，应对这些区域进行加强；而顶板和底板部分区域为半透明，这些区域相对于蓝色区域承受的载荷较小，将其移除后，对整体强度的影响不会很大。

将八个长筋板厚度增加5mm，底板半透明区域根据情况移除一部分，因顶板和底板锥孔处涉及转盘和油缸的安装，不便更改，暂时不做优化。

3.3 对改进方案进行仿真分析

对改进方案进行仿真分析，得出以下结果：

转盘支座改进方案重量为625.724kg，可以看出最大应力为186.6MPa，安全系数为610/186.6=3.27>3。相对于初始方案，重量减少了20.98%，最大应力减少了6.8%。

4 结语

本文在SolidWorks Simulation仿真分析的基础上，用设计洞察图解对模型有效受力情况进行了分析，改进了转盘支座的结构，在满足标准要求的最小设计安全系数的基础上，转盘支座的重量减少了20.98%，最大应力减少了6.8%。同理，这种方法也可以应用在带压作业装置其他部件的优化设计上。由此可见，基于SolidWorks Simulation设计洞察图解的优化设计可以有效地降低生产成本，提高产品的安全性，对带压作业这一新技术的推广应用具有重要意义。

需要注意的是，转盘支座在实际工作中有受下压力、受上顶力、受下压力及扭矩、受上顶力及扭矩四种工况，优化设计时应对每种工况进行分析，只能对四种工况设计洞察图解共有的半透明区域进行减重，本文受于篇幅所限不做过多赘述。

参考文献：

[1]樊奖平，张高峰，王学佳等.带压作业装置现状与发展[J].石油矿场机械，2008，37（12）：11-15.

[2]王炜.不压井作业装置技术现状与应用分析[J].石油机械，2014，42（10）：86-89.

[3]SY/T6731-2014，石油天然气工业油气田用带压作业机[S].