大吨位复合加载试验台中载荷框架的有限元分析

李碧波，张积广，赵文华，王 靖，尧建平

（中国飞机强度研究所 二十二室，西安 710065）

大吨位复合加载试验台中载荷框架的有限元分析

李碧波，张积广，赵文华，王 靖，尧建平

（中国飞机强度研究所 二十二室，西安 710065）

以大吨位复合加载试验台载荷框架中活动加载头为例，对其进行了有限元计算与分析，为载荷框架主要部件的设计提供了理论依据与方法，为大吨位复合加载试验台的研制奠定了基础。

复合加载；载荷框架；活动加载头

0　引言

大吨位复合加载试验台是全尺寸石油管材进行评价试验所必备的大型设备，该试验台通过计算机控制自动协调加载，模拟油管、套管及接头在井下可能承受的拉伸、压缩、内压、外压、弯曲载荷，以及同时可能承受的温度等环境因素影响，检验油管、套管及其连接的综合强度是否满足设计要求，为产品的评价及新产品研发提供依据。载荷框架作为该试验台中的载荷施加的主要部分，设计与制造过程对于研制的成功与否至关重要，为此，在设计过程中，通过CATIAV5R19建立实体模型，利用有限元软件进行分析与计算，为载荷框架的设计提供理论依据。

1　工作原理

载荷框架的结构示意图如图1所示，主要由底座、固定加载头、承力柱、载荷传感器、作动筒及活动加载头组成，工作过程是：通过作动筒的伸缩，推动活动加载头前后移动，已实现给试样（安装在活动加载头与固定加载头之间）施加轴向拉压载荷的目的，拉向载荷：2000t，压向载荷：1400t。

图1　载荷框架示意图

2　材料体系

载荷框架中的需要分析部件主要有固定加载头、活动加载头，活动加载头与固定加载头为作用与反作用的关系，因此在有限元分析过程中仅对活动加载头和承力柱进行，其材料特性如表1所示。

表1　材料特性

3　实体及有限元模型

在设计分析过程中，对于载荷框架的主要部件固定加载头、活动加载头、承力柱等利用CATIAV5R19建立实体模型，活动加载头的实体模型如图2所示，利用PATRAN2006建立有限元模型如图3所示，其中六面体实体单元17996个，有限元节点共21046个。

图2　活动加载头实体模型

图3　活动加载头有限元模型

4　边界条件

试样受拉工况下，活动加载头与试样连接位置承受拉向载荷2000t，与承力柱连接位置承受压向载荷2000t，在下表面施加位移约束，具体如图4所示。

图4　受拉工况下活动加载头边界条件

在试样受压工况下，则相反，活动加载头与试样连接位置承受压向载荷1400t，与立柱连接位置承受压向载荷1400t，在下表面施加位移约束，具体如图5所示。

图5　受压工况下活动加载头边界条件

5　计算分析

利用MSC公司MD R2 Nastran 2006版对有限元模型在进行了计算，受压与受压工况下计算应力与位移云图如图6和图7所示，可以看出，活动加载头在受拉与受压两种工况下，结构的最大应力达到了74.2MPa，最大位置为上边销轴孔的边缘处，低于材料的sσ=460MPa，安全系数。

图6　受拉工况下活动加载头应力与位移云图

图7　受压工况下活动加载头应力与位移云图

6　结论

如上所述，对于载荷框架中的主要部件，建立实体模型，利用有限元进行计算与分析，活动加载头的强度与刚度满足设计需求，为载荷框架的设计提供理论依据，为复合加载试验台的成功研制奠定基础。

[1] 成大先,等.机械设计手册[M].4版.北京：化学工业出版社.

[2] 邱宣怀,等.机械设计[M].4版.北京：高等教育出版社,1997.

[3] 孙桓,陈作模.机械原理[M].5版.北京：高等教育出版社,1996.

The fi nite element analysis of load-framework in the combined loading test bed with large-tonnage

LI Bi-bo, ZHANG Ji-guang, ZHAO Wen-hua, WANG Jing, YAO Jian-ping

TH122

A

1009-0134(2016)07-0101-03

2016-04-19

李碧波（1984 -），男，工程师，硕士研究生，研究方向为非标机械设计（复合加载试验台）。