整体移运用一线两轴车桥结构的有限元优化设计

何娟 肖扬

摘 要：采用有限元分析的手段，对石油钻机平台整体移运用一线两轴车桥的结构进行强度分析。依据分析结果，在保证设计安全裕度的前提下，对该结构形式的一线两轴车桥结构进行优化设计，得到了符合使用要求的产品结构。

关键词：整体移运;一线两轴车桥;有限元分析;结构优化设计

引言

石油钻机平台一般具有体积大、重量重等特点，需要利用整体移运装置进行设备搬家，以节省拆卸、安装时间和搬家车次，从而提高搬家效率，降低搬家成本[1-2]。一线两轴车桥结构是石油钻机平台搬家整体移运装置的主要承重部件，承担着设备及其各部件的重量的同时，还承受了设备搬家移运过程中产生的各种力与力矩。因此一线两轴车桥结构设计的强度以及合理性直接影响着石油钻机平台移运过程中的安全性和可靠性。

整体移运装置用一线两轴车桥的结构设计个性化强、受力情况复杂，无法用经验公式推算其结构强度，且其厂内试验的工况模拟较困难，试验成本高，相应生产周期也会延长。为保证结构设计的合理性和可靠性，采用有限元分析的手段对结构进行强度分析，并依据分析结果进行结构的优化设计，既能有效地提高产品可靠性，减短生产周期，又能降低产品开发成本，提高生产效益。

1 一线两轴车桥的结构设计

1.1技术要求

研制的一线两轴车桥主要使用在相对较平坦的沙漠和戈壁地区的石油钻机平台整体移运装置上，作为移运和驻车过程中的主要承重部件。要求整体承重能力为251000 kg，最大移动速度为10 km/h，牵引状态下最大加速度为0.3G。整体移运高度约有60m，因路面有一定起伏波动，移运过程中整体装置会发生的前后、左右倾斜，因此不仅要保证一线两轴车桥的承载能力、结构强度，还应考虑其稳定性和通过性等要求。

1.2结构设计

根据技术要求进行结构设计，系统左右轮距为1632 mm，前后轮跨距为3770 mm，离地间隙为746mm。一线两轴车桥整体结构主要包括主纵梁、联接座、轮轴、车轮总成以及制动系统总成等。两轮轴分别装有一对车轮总成作为支撑，联接座在主纵梁上，通过滑动轴承与主纵梁联接。联接座与主纵梁的连接结构允许前后方向±8°的倾斜自由度，轮轴与主纵梁的连接结构允许左右方向的摆动自由度，满足了石油钻机移运过程中倾斜摆动的工况需求。整体移运设备通过联接座与一线两轴车桥连接，再通过动力带动设备移运，实现搬家功能。在三维建模软件中建立三维实体模型，如图1所示。一线两轴车桥的主纵梁主要由结构钢Q355焊接而成，轮轴采用42CrMoA材料锻造焊接加工而成，滑动轴承采用ZQAl9-4-4-2材料。

2 一线两轴车桥的有限元分析

2.1有限元分析模型简化

对一线两轴车桥进行有限元分析前，需对其三维实体模型进行简化处理。利用软件将模型中对受力分析无影响的零部件、孔、倒角、焊缝等简化处理，减少有限元分析计算量，制动系统总成和车轮总成统一简化为轮轴两端的刚性圆盘，模拟车轮接地，便于有限元计算的约束施加。

2.2定义材料属性、划分网格

根据设计对一线两轴车桥材料属性进行定义，考虑所使用的板材的厚度因素，材料具体参数[3]见表1。

划分网格步骤是有限元计算中关键的一步，模型单元的性质和单元节点的数目决定着有限元计算模型与实际产品结构的相似程度，即只有选择了合理单元类型和划分足够数量的单元，才能获得符合实际情况的分析结果。本设计主要关注主纵梁和轮轴结构强度情况，综合考虑有限元分析模型结构以及分析计算的精度、可行性和可靠性，对主纵梁和轮轴选用高3维8节点的Hex Dominant结构单元格，网格尺寸设定为12.5 mm，对支撑用的刚性圆盘选用3维4节点的Tetrahedrons结构单元格，网格尺寸设定为150 mm，用扫略方式对整体模型进行网格划分。一线两轴车桥有限元模型如图2所示，节点数为795008，单元数为2591456，网格划分质量良好。

2.3设置边界条件

分析一线两轴车桥的结构强度，施加相对应的载荷约束。一线两轴车桥整体受牵引方向的加速度为0.3G，牵引力为500000 N，载重251000 kg，垂直方向的重力加速度为1G。

2.4结果分析

通过有限元计算，一线两轴车桥和主纵梁连接座处的应力和应变云图如图3、图4所示。经分析得到一线两轴车桥的最大应力点在主纵梁与轮轴连接处，最大应力值为280 MPa（如图3（a）所示），安全系数为S1=345/280=1.23，该处为锻造焊缝结构。另主纵梁与联接座联接处是行驶过程中主要受力点，此处的应力值为178MPa（如图4（a）所示），安全系数S2=345/178=1.94。考虑有限元结构强度分析计算时考虑的影响因素少于实际受力情况，为确保此处结构设计的安全性和可靠性，提高该处结构的安全裕度，需对结构进行优化设计以增大此处的安全系数。

3 一線两轴车桥的优化设计

依据上述有限元分析结果对一线两轴车桥结构进行优化设计，增加主纵梁上、下翼板厚度和宽度，左、右腹板厚度，增大联接座处销轴直径，并对联接座处做增加加强筋处理，对优化后的结构再次进行有限元结构强度分析。优化后一线两轴车桥和主纵梁连接座处的应力、应变云图如图5、图6所示。

优化后的一线两轴车桥最大应力点仍在主纵梁与轮轴连接处，此时最大应力值为245 MPa（如图5（a）所示），S1=345/245=1.4，主要关注点主纵梁联接座处的应力值为131MPa（如图6（a）所示），安全系数为S2=345/131=2.63，比优化前的安全系数明显提高，此处受力情况得到改善，改进后应变情况也良好。综上所述，在保证安全裕度的前提下，经过有限元分析计算，一线两轴车桥结构得到了优化。

目前本设计产品已经在阿联酋石油钻机整体移运搬家中成功应用，产品安全可靠。

4 总结

采用有限元分析的方法对石油钻机平台移运用一线两轴车桥的结构进行了强度计算，并在保证安全裕度的前提下，对一线两轴车桥结构进行了优化设计，得到了符合实际使用要求的一线两轴车桥结构形式。本文提供的有限元分析方法适用于试验成本高、试验周期长、理论经验计算无法详细体现结构受力和变形情况的设计场合，既为产品的优化设计生产提供了理论依据，又有效地缩短了产品生产研发周期、降低了生产成本，提高了生产效率。

参考文献：

[1]李亚辉，侯文辉，刘志林等. 7000m快速移运拖挂钻机设计[J] . 石油机械，2015，43（9）：37-41.

[2]张秀翰，洪云霞. 石油钻机前开口井架整体运移装置的设计[J] . 石油机械，2015，43（5）：40-43.

[3]机械设计手册编委会. 机械设计手册[新版]：第1卷. 北京：机械工业出版社，2004.

作者简介：

何娟（1988-），女，湖南湘电集团有限公司，工程师，研究方向：机械设计制造及其自动化。