基于ANSYS的螺杆钻具螺纹优化设计

基于ANSYS的螺杆钻具螺纹优化设计
崔丽芬; 张仁龙; 郑俊华; 刘明强
【期刊名称】《《西安石油大学学报（自然科学版）》》
【年(卷),期】2019(034)006
【总页数】6页(P88-92,125)
【关键词】螺杆钻具; 螺纹设计; ANSYS; 应力分布; 优化方案
【作者】崔丽芬; 张仁龙; 郑俊华; 刘明强
【作者单位】中石化石油机械股份有限公司承德江钻分公司河北承德067000; 中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院北京100101
【正文语种】中文
【中图分类】TE921
引言
螺杆钻具钻进与传统的顶部驱动钻井方式相比，具有能量利用率高、井眼轨迹控制好、钻井成本低等优势[1]，目前被广泛应用。

然而在实际应用中，螺杆钻具在井下工作时的环境恶劣，同时受到轴向拉力、压力，扭矩、弯曲力矩、纵向振动等力的作用，这些载荷往往同时存在且相互耦合，螺纹连接处形成应力集中区,造成钻具螺纹疲劳破坏[2-4] 。

且动力钻具在使用寿命期内不会单独更换螺纹，使螺纹连接处成为动力钻具的薄弱环节。

目前，国内外尚无针对螺杆钻具螺纹的研究。

本文采用ANSYS有限元分析方法对螺杆钻具的螺纹进行应力分析，并根据螺纹根部应
力集中的现象，提出3种螺纹优化方案并加以分析验证，结果证明这3种优化方
案均有减小螺纹最大应力的作用。

1 螺纹应力分析
1.1 模型的基本假设
为简化螺纹连接的解析模型，本文建模进行如下简化和条件假设[5-6]：
(1) 忽略螺纹小螺旋升角的影响，将整个螺纹连接结构按轴对称进行处理；
(2) 假设螺纹的结构变形均在弹性范围以内。

1.2 基本参数赋值
通过对动力钻具螺纹特征的研究，选定Φ172螺杆钻具MK-150螺纹为研究对象，其结构和牙型如图1所示(单位：mm)。

对Φ172螺杆钻具MK-150螺纹建模并
进行分析计算，其基本参数见表1。

图1 MK-150螺纹结构及牙型Fig.1 Structure and teeth type of MK-150 thread表1 Φ172螺杆钻具MK-150螺纹基本参数Tab.1 Basic parameters of MK-150 thread in screwdrill of Φ172
螺距P/mm6螺杆钻具内径d/mm118锥度1∶8泊松比0.3螺杆钻具外径
D/mm172弹性模量/GPa206
1.3 建立几何模型并求解
建立螺纹连接模型，如图2所示。

采用PLANE82单元为模型单元类型。

PLANE82为二维实体单元，在四边形和三角形混合网格划分中,其提供的结果更为准确，并且能兼容不规则形状，十分适合作为曲面边界模型单元[7-8]。

另外，为
保证计算精确性，在划分网格时对螺纹接触部分进行了细化处理，划分网格后模型如图3所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite element model
图3 网格划分后的模型图Fig.3 Meshing of the model
由于动力钻具螺纹连接处受力复杂，在对模型设定边界条件和加载求解时，认为轴向拉压工作应力为疲劳破坏的主要应力。

由于受井眼尺寸的限制，横向弯曲动应力数值较小，是疲劳破坏的次要应力[9]。

在外螺纹大端施加200 kN的轴向压力载荷；在内、外螺纹边缘及外螺纹大端沿螺纹轴线方向施加0位移约束，以限制螺纹侧向运动趋势。

加载约束的模型如图4所示。

图4 载荷约束图Fig.4 Load and constraint of the thread
对所建模型加载求解得到Von.Mises(冯·米塞斯)应力云图如图5所示。

从图中可以看出，应力集中发生在内、外螺纹的根部螺纹牙处，螺纹应力呈U状分布，螺纹的两端接触压力较高，且内螺纹根部应力大于外螺纹根部应力。

为了更深入地分析螺纹应力分布情况，将螺纹的牙齿编号，如图6所示。

根据图5的数据绘制分析曲线如图7所示。

由图7可以看出，最大接触压力在1号螺纹上，达到481 MPa，中间各螺纹接触压力比较低，分布比较均匀。

分析所得结果与实际应用中动力钻具常见的螺纹失效形式一致，可以证明本文有限元分析过程及所做假设是合理的。

图5 螺纹的应力分布云图Fig.5 Mises stress distribution of the thread
图6 螺纹牙编号示意图Fig.6 Numbering of thread tooth
图7 螺纹应力分布曲线Fig.7 Stress curve of the thread tooth
2 螺纹优化设计
螺纹的结构是影响螺纹应力分布的主要因素，因此应从改进螺纹结构入手，研究螺纹的优化设计问题。

本文根据螺纹根部应力集中的现象，提出3种螺纹结构的优化方案，并对3种优化方案分别建模分析，优化设计的量化标准采用
Von.Mises(冯·米塞斯)应力，通过应力云图表现和评价。

2.1 双台肩螺纹设计
双台肩螺纹设计是在内螺纹大端增加一段光滑的圆柱面，当螺纹在井下承受拉压、
弯曲、扭转载荷时，内、外台肩一样受力,增加了螺纹的受力截面积，既提高了螺纹连接的强度性能，又大大降低了密封面发生刺漏的几率[10-12]。

图8为MK-150双台肩螺纹设计模型，在保证边界条件和求解参数设置不变的情况下，进行网格划分和加载求解得到Von.Mises应力云图，改进结构前后的应力曲线对比如图9所示。

可以看出双台肩螺纹的最大Von.Mises应力为407 MPa，比原来降低了15.30%，应力分布明显变得均匀(其中在内螺纹顶部出现的浅色高应力区是施加约束所致，并不表示此处存在应力突变的现象)。

图8 双台肩螺纹应力分布Fig.8 Mises stress distribution of double-shoulder thread
2.2 加工应力减轻槽
在应力集中部分的附近开应力减轻槽，槽的圆弧顶部会形成新的应力集中点。

增加了应力集中点，将原来过于集中的应力分解，以减少和避免原来过于集中的应力带来的破坏和变形[13]。

图10为螺杆钻具MK-150螺纹加工应力减轻槽后，在保证边界条件和求解参数设置不变的情况下，进行网格划分和加载求解得到的Von.Mises应力云图。

对比开应力减轻槽前后的应力曲线(图11)，可以看出开应力减轻槽螺纹的最大Von.Mises 应力为440 MPa，比原螺纹降低了8.52%，有一定的优化效果。

图9 双台肩螺纹与原螺纹牙齿应力比较Fig.9 Comparison of teeth stress between original thread and double-shoulder thread
图10 加工应力减轻槽后应力分布Fig.10 Mises stress distribution of thread with stress relief groove
图11 开应力减轻槽螺纹与原螺纹牙齿应力比较Fig.11 Comparison of teeth stress between original thread and thread with stress relief groove
2.3 降低最后啮合区螺纹牙高度
应力集中区一般在螺纹根部最后的螺纹牙处，合理降低螺纹根部的最后啮合区螺纹牙高度，将会达到减小应力集中程度有效减小最大应力的效果[14-15]。

该原理可
以通过
(1)
(2)
来解释。

式中，Rn为第n个扣齿节圆半径，m；a为从公扣第一扣齿算起到某一
扣处所转过的角度，(°)；bw为螺纹齿高，m；σa0为第一个螺纹起点处轴向应力，Pa；Fn为第n个螺纹承担的轴向载荷，N；Fθπ为第n个螺纹承担的轴向载荷，N；f为螺纹脂摩擦系数，一般取0.08；θ为螺纹牙型半角，(°)；σθ0为第一个螺纹起点处轴向应力，Pa。

当第1个螺纹牙高度降低后，螺纹中径减小，从而螺纹
的轴向力和周向力都减小。

Y.TSukano等人通过有限元分析和实体疲劳试验也证
实了这一结论。

将1号螺纹降低1.5 mm后，对降低齿高后的螺纹模型在其他条件不变的情况下，划分网格并加载求解得到的应力云图如图12所示。

降低齿高前后的应力曲线对比如图13所示。

可以看出最大Von.Mises应力为428 MPa，与原螺纹模型相比降低了11% 。

2.4 优化设计结果分析
3种优化方案的效果对比见表2。

可以看出，3种优化方案(双台肩螺纹设计、加工应力减轻槽、降低齿高)与原模型相比，最大应力都有不同幅度的降低。

各优化方
案的应力分布曲线对比如图14所示，从图14可以看出各优化方案都使螺纹的应
力分布趋于均匀，具有一定的优化效果。

3 结论
(1)采用有限元分析软件ANSYS建立螺杆钻具MK-150螺纹的二维线弹性模型,得出螺纹受力分布情况：内、外螺纹根部所受应力最大，整体呈U状分布，螺纹的两端接触压力较高，且内螺纹根部应力大于外螺纹根部应力。

图12 降低齿高后螺纹应力分布Fig.12 Mises stress distribution of the thread whose tooth height is reduced
图13 降低齿高后优化对比曲线Fig.13 Comparison of teeth stress between original thread and reduced tooth height thread表2 各优化方案最大应力及其优化比率Tab.2 Maximum stress of different optimization plans and their optimization effects
模型类别最大Von.Mises应力/MPa优化比率/%原始模型4810双台肩螺纹设计40715.30螺纹应力减轻槽设计4408.52降低齿高42811.00
图14 各优化方案优化结果对比曲线Fig.14 Comparison of teeth stress among different optimization plans
(2) 根据螺纹根部应力集中的分布情况，提出了3种螺纹结构的改进方案,分别是设计双台肩螺纹、加工应力减轻槽和降低最后啮合区牙齿高度。

(3)采用有限元分析软件ANSYS对3种优化方案分别建模和加载求解，并通过对比分析得出3种方案都有一定的优化作用，最大应力分别降低15.30%、8.52%、11.00%。

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