基于ANSYS_PDS的抽油机支架可靠性分析

基于ANSYS/PDS的抽油机支架可靠性分析

Reliable analysis for pumping unit framework based on ANSYS/PDS

黄天成1，张 炎2，王宏丽3，袁新梅1，周思柱1

HUANG Tian-cheng1, ZHANG Yan2, WANG Hong-li3, YUAN Xin-mei1, ZHOU Si-zhu1

（1. 长江大学 机械工程学院，荆州 434023；2. 中石油钻井研究院 江汉机械研究所，荆州 434000；3. 荆州四机赛瓦石油钻采设备有限公司，荆州 434024）

摘 要：为了验证抽油机支架结构强度可靠性，根据抽油机支架的结构特点，利用有限元软件建立了三

维有限元模型，进行了有限元分析，在此基础上，利用ANSYS/PDS模块，对抽油机支架进行了强度可靠性分析。分析结果表明：300次抽样模拟可以满足精度要求；抽油机支架的强度可靠度为93.16%，其中竖直载荷对其强度可靠性影响最大。

关键词：抽油机支架；可靠性分析；蒙托卡罗；灵敏度

中图分类号：TP274 　 文献标识码：A 　 文章编号：1009-0134(2011)7(上)-0119-03Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2011.7(上).35

0 引言

抽油机作为石油开采过程中的重要设备，它的性能的好坏对石油的开采具有重要意义。为了满足世界各大油田开发向深地层发展，采油井的深度不断增加的需要，抽油机的载荷和自身的体积重量都在不断增加，抽油机支架作为支撑抽油机的主要部件，对其工作性能提出了更高的要求。抽油机支架的传统设计方法是以材料力学为基础，根据支架的强度和刚度的要求确定其几何形状和尺寸，然后用安全系数法校核其强度。这种设计方法通常是将影响抽油机支架工作状态的变量，如强度极限、几何尺寸以及载荷等参数看成常量，计算中只要安全系数大于许用安全系数或支架最大应力小于许用应力就认为支架是安全的。这种设计方法具有较大的经验性和盲目性，设计出来的抽油机支架一般趋于保守，材料浪费严重。为了减小抽油机支架的体积和重量，降低生产成本，同时保证抽油机安全运行，笔者采用ANSYS软件的PDS设计模块，将支架的相关参数定义为变量，采用蒙托卡罗法与有限元分析相结合对抽油机支架的可靠性进行了评估，对抽油机支架设计分析具有重要的意义。

它能清楚的模拟实际问题的真实行为特征。蒙托卡罗随机有限元法，就是把确定性有限元技术与蒙托卡罗法相结合进行随机结构分析的方法[1,2]。即进行N个循环，每循环一次将多个随机变量（结构尺寸、载荷、弹性模量等）在各自的分布范围内各自随机抽取一次，将这些值按有限元的建模、网格划分、求解的步骤进行计算，得到结构响应分析的结果变量数值。重复各变量随机取值、得到结果变量的N个数值，最后对结果变量进行统计，确定其各种统计参数如均值、方差、偏态系数、峰态系数等，以及概率分布函数等参数，为可靠性分析作好准备。

1.2 蒙托卡罗随机有限元法ANSYS实现

本文采用有限元分析软件ANSYS提供的PDS处理器将蒙托卡罗法与有限元技术相结合，从而实现零部件的可靠性分析研究。采用ANSYS进行可靠性分析的主要步骤如下[3,4]：

1）利用ANSYS创建有限元分析文件。分析文件必须包含完整的仿真分析过程，包括：参数化有限元建模、求解以及供概率设计过程中用于随机输入参数和随机输出参数等。

2）采用ANSYS/PDS处理器进行可靠性分析。首先进入PDS处理器指定所用的分析文件，定义概率设计模型，其中概率设计模型定义的内容主要包括：随机输入参数的定义、检查、随机输入参数之间相关性确定以及随机输出参数的定义；然后选择概率设计工具或方法（蒙特卡罗法

1 可靠性分析方法

1.1 蒙托卡罗随机有限元法简介

蒙托卡罗法又称随机抽样法，概率模拟法或统计试验法，是概率分析中最常用的传统方法，

收稿日期：2011-01-18

基金项目：湖北省高等学校科技创新团队计划项目（T200906）

作者简介：黄天成（1979 -），男，湖北蕲春人，讲师，硕士，主要从事石油机械产品设计方面的教学与研究工作。

第33卷 第7期 2011-7(上)

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