基于有限元技术的螺纹联接扭矩系数分析与计算方法

在螺纹联接的装配过程中,为保证连接的可靠性,必须为连接提供合适预紧力,因此需要确定预紧力一扭矩关系（扭矩系数）,从而施加台适的装配扭矩。文中研究了螺纹联接传统分析方法的不足和螺纹联接几何、材料、接触等因素,提出了一种螺纹联接扭矩系数的分析与计算方法,利用有限元技术得到更加准确的结果。建立了螺纹联接3D有限元分析模型,解决了接触分析中刚体位移问题。分析得到轴向载荷分布关系和预紧力一扭矩关系曲线,计算得到的扭矩系数合理准确。     

预紧力的分散性对螺栓疲劳寿命的影响

应用接触有限元方法对螺栓联接结构进行模拟分析，详细计算了螺纹联接第一牙根处应力应变值，得出不同预紧力下的疲劳寿命，依据预紧力-寿命曲线可以指导生产实际，求得最佳预紧力。依螺栓联接变形图，从理论上定性分析了疲劳寿命随预紧力的变化关系，结果表明理论分析与有限元分析的结论是一致的。     

具有台阶密封面油套管接头力学性能有限元分析

以具有台阶密封面结构的锥形油套管接头为研究对象,以美国石油学会(API)圆螺纹套管接头为例,通过有限元分析计算,研究了锥螺纹联接上扣拧紧时,拧紧圈数和密封面初始间隙对密封面上挤压力、螺纹轴向力和轴向累计弹性变形量的影响规律.结果表明:在密封面初始间隙一定的条件下,螺纹接头拧紧圈数增大使密封面上挤压力、螺纹轴向力和轴向累计弹性变形量增大;当拧紧圈数相同时,密封面初始间隙越小,密封面上挤压力、螺纹轴向力和轴向累计弹性变形量越大.     

弹上设备螺纹联接在温度循环载荷下的分析研究

弹上设备螺纹联接结构承受温度循环载荷作用时,由于螺纹紧固件和联接体材料特性不同,会产生交变循环热应力,影响螺纹联接的可靠性。利用有限元方法分析螺纹联接结构在温度循环载荷作用下的力学行为,对不同材料的螺纹紧固件和联接体进行分析,得到应力、接触压力和残余预紧力的变化情况,为工程设计提供了可靠的依据。     

基于ANSYS的钻柱振动规律分析

根据牙轮钻头与井底岩石互相作用的特点,将钻柱视为一连续的管梁结构,采用ANSYS工程软件,对钻柱纵向振动规律进行了分析。结果表明:钻柱系统各阶振动固有频率相差约1Hz左右,容易出现共振。高频振动时,钻柱出现"分段振动"的特点,下部钻铤动态力显著增加;转盘转速对钻柱振动的影响较大,当接近共振点时,下部钻铤螺纹联接处动态力呈数量级增加;钻压对钻柱振型、轴向动态力的影响不大。     

钻铤双台阶螺纹接头尺寸偏差对接触特性的影响

提出了双台阶螺纹接头预紧力的计算方法。基于ANSYS分析平台开发了集参数化几何模型、网格划分、约束及载荷施加于一体的石油钻铤双台阶螺纹接头自动建模程序。考虑材料非线性和接触表面非线性,对标准螺纹接头进行了弹塑性接触应力应变分析,给出了预紧载荷、拉伸载荷和内外压工况下接头的应力应变云图及螺牙面的接触应力曲线。同时分析了公接头存在尺寸偏差时接头应力应变的变化规律,为确定合适的接头长度偏差及螺纹偏差提供了理论依据。     

基于ANSYS的唐氏螺纹强度分析

应用ANSYS有限元分析软件对唐氏螺纹和普通螺纹的联接结构进行模拟分析,研究在总轴力分别为15kN、20kN、25kN、30kN时唐氏螺纹和普通双螺母螺纹牙的应力情况,并且对照结果做出相关力学性能比较,得出在不同工况下唐氏螺纹和普通螺纹结构的应力分布,可以看出唐氏螺纹相对于其它螺纹接触应力总体上略大.从而可以得出以下结论,在相同外部条件下唐氏螺纹具有较好的综合性能.     

基于ANSYS的三维螺栓联接静强度分析

应用有限元软件ANSYS workbench,建立螺栓联接三维有限元模型,采用对比的方法对某扶梯驱动机座连接螺栓进行了失效分析。该分体式螺栓在螺杆旋入T形头方向上的第一圈旋合螺纹牙根存在较大的应力,是整个联接的薄弱环节。有限元分析定量证实了不合理的螺栓分体式结构设计、螺纹联接旋合长度不足以及安装过程中预紧力控制不当造成了螺纹压溃拔出螺栓头,是螺栓的主要失效形式,与破坏性试验相吻合。     

基于有限元技术的螺纹联接摩擦扭矩的分析

受轴向预紧力的螺纹联接应用最为广泛.螺纹的预紧力与扭矩的关系为:T=KF.在传统的粗略计算中K一般近似取0.2,随着工程中对螺纹联接可靠性要求的不断提高,近似取值已经不能满足工程使用的要求.文中运用有限元分析的方法,利用ANSYS软件分析螺纹联接中螺纹副的实际受力情况,进而求得更接近实际的螺纹预紧扭矩.     

弹性元件对受轴向工作载荷螺纹联接强度的影响

弹性元件作为一种常用的机械元件,经常应用于螺纹联接中。为了深入分析弹性元件对螺纹联接强度的影响,对不同联接方式下的螺栓联接进行了刚度分析和受力分析,从理论上提出弹性元件有增大螺栓相对刚度、增大螺栓受力的作用,由此得出弹性元件削弱螺纹联接强度的观点。同时,应用ANSYS仿真软件对不同联接方式下的螺栓联接进行有限元仿真分析,以螺栓的受力、变形的差异说明理论分析的正确性。将这一正确结果应用在实际工程中,有助于提高螺纹联接的强度。     

ELASTOPLASTIC CONTACT BEHAVIOR AND SHAPE OPTIMIZATION OF DRILLPIPE THREAD

ＮＯＴＡＴＩＯＮＳＤ———ＥｌａｓｔｉｃｉｔｙｍａｔｒｉｘＱ———Ｐｌａｓｔｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｙ———ＹｉｅｌｄｆｕｎｃｔｉｏｎＫｔ———ＴａｎｇｅｎｔｓｔｉｆｆｎｅｓｓｍａｔｒｉｘＫ0 ———ＩｎｉｔｉａｌｓｔｉｆｆｎｅｓｓｍａｔｒｉｘΨ(ｕ)———ＮｏｎｌｉｎｅａｒｄｉｓｃｒｅｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｏｐｅｒａｔｏｒＤｐ———ＰｌａｓｔｉｃｉｔｙｍａｔｒｉｘＤｅｐ———ＥｌａｓｔｏｐｌａｓｔｉｃｍａｔｒｉｘＡ———Ｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｋ———Ｈａｒｄｅｎｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒλ—…     

Three-dimensional finite element analysis of the mechanical properties of helical thread connection

Conventional analytical and numerical methods for the mechanical properties of helical threads are relied on many assumptions and approximations and thus hardly yield satisfied results. A parameterized 3D finite element model of bolted joints with real helical thread geometry is established and meshed with refined hexahedral elements. The Von Mises plasticity criterion, kinematic hardening rule of materials and interfacial contacts are employed to make it possible for the suggested model be able to approach real assembly conditions. Then, the mechanical properties of bolted joints with different thread pitches, thread numbers and modular ratios are investigated, including the contact pressure distribution at joint interfaces, the axial load distribution and stress concentration in screw threads during the loading and unloading process. Simulation results indicate that the load distribution in screw threads produced by the suggested model agrees well the results from CHEN’s photoelastic tests. In addition, an interesting phenomenon is found that tightening the bolt with a large preload first and then adjusting the clamping force by unloading can make the load distribution more uniform and reduce the maximum residual equivalent stress in thread roots by up to 40%. This research provides a simple and practical approach to constructing the 3D finite element model and predicting the mechanical properties of helical thread connection.     

顶驱中心管螺纹力学行为模拟及优化研究

针对顶驱中心管螺纹粘扣、断裂等问题，基于弹塑性理论、von Mises屈服准则以及中心管材料本构模型试验研究结果,建立了扭矩作用下的二维、三维有限元模型，并通过实验结果与数值模拟结果验证有限元分析的可靠性，对比二维、三维的分析结果验证二维轴对称模型方法的可靠性，获得了中心管螺纹接头的应力分布规律和力学特性，指出紧扣扭矩对螺纹连接强度影响极大。在此基础上，结合现场失效的螺纹接头，对螺纹锥度、螺距以及有效螺纹牙长度3个参量进行敏感性分析，综合考虑连接强度以及生产成本推荐了参量最优值。     

优化套管螺纹载荷分布特性的方法

根据套管螺纹的结构和受力特点 ,建立了套管接头在轴向拉力作用下的计算模型 ,分析了载荷在各牙螺纹上的分布特点。在此基础上 ,提出了优化套管螺纹载荷分布特性、减小应力集中的具体方法 ,并依据实用性 ,从螺纹的加工方便考虑 ,提出了外螺纹全部和内螺纹大部分保持螺距不变 ,仅对内螺纹两端 2～ 4牙螺纹变化螺距的近似优化方案。通过有限元方法模拟了优化方法的效果 ,验证了这种方法的可行性。研究结果对改进套管螺纹设计 ,提高套管螺纹的连接质量具有参考价值     

缺牙油管接头接触特性及应力应变分析

开发了存在螺牙损伤的油管螺纹接头参数化有限元自动建模程序,应用ANSYS软件对缺牙油管螺纹接头进行了弹塑性接触特性及应力应变分析.并以27/8TBG油管螺纹接头为例,给出了油管在预紧及拉伸载荷工况下接头的应力应变云图及螺牙面的接触应力曲线,分析了螺牙损伤位置及数目变化时接头应力应变的变化规律.本文研究结果对旧油管判废具有工程应用价值.     

圆螺纹套管接头应力分布规律研究

根据弹塑性力学理论建立圆螺纹套管接头的计算模型,利用有限元分析和全尺寸实验相结合的方法,详细分析套管接头在使用工况(包括上扣、上扣后加拉伸载荷、上扣后加内压载荷等)下的应力分布规律,指出载荷在各个螺纹牙上分布的不均匀性是制约套管接头性能的主要原因,提出改进接头应力状态、减少应力集中的主要措施。研究结果提高了对套管接头应力水平的认识,对改进套管连接螺纹设计,提高套管接头的连接质量具有一定的参考价值。     

预紧力作用下塑料螺纹连接件的应力分析

基于大型有限元分析软件ANSYS,采用非线性的接触分析,对两种塑料螺纹连接件在预紧后的力学性能进行了分析研究.分析结果表明,改进后的螺纹连接件的应力明显降低,其应力分布均匀,建议将改进后的螺纹连接件结构应用于实际工程中.     

基于有限元的弹性接触问题的探讨

探讨了组合结构法在弹性接触问题中的应用,并以螺栓联接为例,建立了用弹性力学有限元的组合结构法解决繁杂弹性接触问题的力学模型。该模型综合考虑了设计精度、制造误差、装配情况及载荷工况等因素对螺栓受力的影响,能够精确给出螺纹载荷和根部应力分布规律以及螺栓联接的变形情况。     

航空结构宽板铆接搭接件承载性能数值研究

为研究飞机蒙皮铆接搭接结构的力学特性,基于ANSYS软件建立宽板三排铆钉搭接件的三维有限元分析模型。考虑物面间的非线性接触、铆钉与板孔间的干涉配合、铆钉预紧力的影响,应用非线性有限元法对宽板铆接搭接件在恒定远端拉伸载荷作用下的承载性能进行计算。通过读取沿预设路径的位移分布数据,获得宽板搭接件产生的次弯曲和第三弯曲的变形趋势。从搭接板等效应力云图可以看出,靠近宽搭接板侧缘的沉头铆钉孔周围应力集中比较严重。计算每个铆钉的钉传载荷,获得宽板搭接件铆钉承载的分布规律。在调整铆钉预紧力和钉孔干涉配合量的情况下,给出三排铆钉载荷传递比的变化情况。针对宽板铆接搭接件的力学特性计算分析,可以为后续的搭接件结构多处损伤裂纹扩展和疲劳寿命研究奠定基础。     

小井眼开窗侧钻用高抗弯钻具接头性能分析与结构参数优化

随着小井眼开窗侧钻技术的广泛应用,由井下弯曲段引起的钻具接头失效问题日益突出。为解决因弯曲载荷造成钻具接头变形失效的问题,根据弹塑性力学理论及中心管材料本构模型试验研究结果,建立了钻具接头螺纹连接的三维有限元模型,研究了弯曲载荷作用下钻具接头连接强度和密封性能,并通过胀扣试验验证了有限元分析结果的可靠性。在此基础上利用正交优化方法,对其关键结构参数进行优化,获得了钻具接头较优参数组合,对比计算了API钻具接头与高抗弯钻具接头力学性能。结果表明,优化后的连接螺纹在抗拉/压、扭矩及弯曲方面性能均优于API螺纹,能更好地满足小井眼开窗侧钻的钻井要求。