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抽油杆成形及疲劳损伤仿真研究

秦庆忠  
【摘要】: 抽油杆是抽油机井中重要的设备,它是抽油机和抽油泵间承受载荷传递运动的重要部件,抽油杆的疲劳强度和使用寿命决定和影响了整套抽油设备的最大下泵深度和排量。油田使用的抽油杆存在加工成形后所残留的应力和损伤,而这种残余的应力和加工成形过程中形成的损伤影响了抽油杆的使用寿命,并且在高压注水开采中长期承受交变载荷的作用,加之井内液体腐蚀等原因,造成抽油杆断裂,严重影响油井的正常工作,而且增加了作业施工井次和油井作业费用,使采油成本上升。为此能够及时、准确的判断出抽油杆使用寿命是非常重要和迫切的。 本文从抽油杆的结构特点入手,分析和介绍了抽油杆的锻造工艺、方案分析和锻模设计,应用SolidWorks软件系统地完成抽油杆工步、模具系统等复杂实体的设计和造型;基于刚粘塑性有限元与热力耦合的思路,建立了抽油杆成形的有限元模型,运用DEFORM-3D有限元分析软件分别对抽油杆三步聚料、预锻成形和终锻成形过程进行数值模拟,获得了成形过程中的内部应力分布和损伤情况,为优化抽油杆镦锻成形工艺和提高抽油杆质量提供了科学依据,并为抽油杆疲劳损伤的研究提供了准确的初始数值。 阐述了疲劳损伤耦合理论,重点分析了损伤力学—有限元法,运用“附加载荷—有限单元法”来实现损伤的引入,通过损伤力学将裂纹形成与裂纹扩展两个过程有机结合在一起。根据抽油杆中值疲劳试验数据,利用最小二乘方法拟合抽油杆损伤参数,根据疲劳损伤力学原理、采用损伤力学—有限元法对ANSYS有限元软件进行二次开发,编写子程序,建立了抽油杆疲劳损伤模型,确定合理的边界条件,模拟了不同初始应力和不同初始损伤情况下的抽油杆疲劳损伤情况,确定抽油杆的疲劳寿命,为抽油杆使用寿命提供较为可靠和准确的预测手段,提高了模拟的准确率。因此,此模拟方法具有重要的意义和广阔的应用前景。


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