PACKER内拉杆的有限元模态分析

第27卷第1期 辽宁石油化工大学学报 Vol.27　No.1 2007年3月　J OURNAL OF L IAON IN G UN IV ERSIT Y OF PETROL EUM&CH EMICAL TECHNOLO GY　Mar.2007

文章编号:1672-6952(2007)01-0050-03

PAC KER内拉杆的有限元模态分析

赵　斌

(辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁抚顺113001)

摘　要:　为了提高PAC KER内拉杆的抗振能力,进行振动特性分析是十分必要的。利用ANSYS软件,分别采用粗网格和细网格两种方案进行网格划分,运用子空间法进行模态分析,得出PAC KER内拉杆的前5阶固有频率和振型。理论计算与实验测得的结果基本一致,表明数值模拟技术是正确高效的手段,并得出了网格粗细对模态分析结果无关。采用粗网格可以提高计算效率。

关键词:　PAC KER内拉杆;　模态分析;　ANSYS软件;　固有频率

中图分类号:T H122.1 文献标识码:A

Finite Element Modal Analysis for PAC KER Inner Pull Rod

ZHAO Bin

(School of Mechanical Engineering,L iaoning Universit y of Pet roleum&Chemical Technolog y,

Fushun L iaoning113001,P.R.China)

Received14December2005;revised18S eptember2006;acce pted20Se ptember2006

Abstract:　In order to improve the antivibration ability of PAC KER inner pull rod,it is necessary to analyze its vibration characteristics.On the basis of ANSYS software,grid partition adopted coarse grids and fine grids respectively,modal analysis was implemented by utilizing a subspace method,and the first five inherent frequencies and vibration type were obtained.That theory results accord basically with testing results shows that numerical simulation technology is an efficient method and the thickness of grids doesn’t influence modal analysis ing coarse grids can improve calculative efficiency.

K ey w ords:　PAC KER inner pull rod;Modal analysis;ANSYS software;Inherent f requency

Corresponding author.Tel.:+86-413-6865042;fax:+86-413-6865042;e-mail:zbzbz0203288@

为了满足石油工业的不断发展需要,特别是由于海洋石油勘探开发的迫切需要,我国不断加大石油领域高科技产品的研发力度,中海油田技术服务有限公司研制出一套适用于渤海地质条件的地层综合测试仪和配套数据处理系统,部分取代试油和钻杆地层测试工艺,减少钻井时间,及早发现和评价油藏,降低勘探开发成本,有效解决勘探中遇到的难题,为了渤海大油田的勘探开发提供技术支持。钻井中途油气层测试器是一套井下泵抽油式流体取样测试器及解释系统,通过泵抽系统能够取得地层流体真样,通过压力测试曲线计算油气层的渗透性,压力分布、产能等参数,部分代替中途试油技术。

PAC KER内拉杆是钻井中途油气测试器的重

收稿日期:2005-12-14

作者简介:赵斌(1978-),男,辽宁抚顺市,硕士。要组成部分,对整个系统的正常运行起着至关重要的作用,由于其在井下工作受到强烈的振动作用,因此对其进行模态分析是必不可少的。通过对其进行模态分析得出其前5阶的振型和固有频率,对其结构设计有着很重要的指导意义。

结构的动态特性是许多科学领域的重要研究课题。各种实验方法、解析方法和数值方法已经被广泛应用于理解和预测结构在各种内外激励作用下的动态响应。模态是结构的动态特性之一,是结构动态特性分析的基础,包括固有频率和振型,是振动系统的固有特性,对结构的动态响应、动载荷的产生和传播及结构振动的形式等具有重要影响。有限元技术作为PAC KER内拉杆的模态分析是一种非常有效的技术[1-4]。

1　有限元法及ANS YS模态提取1.1　有限元法

PAC KER内拉杆振动模态分析用于确定设计中结构振动特性即固有频率和振型。也是其他更详细动力学分析的起点。结构分析的有限元法是把物体离散为有限个数量的单元体,由弹性力学有限元法,经分析可以得到转子振动系统在笛卡尔坐标系中的运动微分方程:

[M][¨X]+[C][ X]]+[K][X]]={F(t)}(1)式中:[M],[C],[K]—总体质量矩阵、阻尼矩阵和

刚度矩阵;

[¨X],[ X],[X]—结构的加速度向量、速度向

量和位移向量;

{F(t)}—结构激振力向量;

[X]=[x1,x2,…,x n]T

{F(t)}={f1,f2,…,f n}T

若无外力作用,即{F(t)}={0},则得系统的自由振动方程。在求解结构自由振动的固有频率和振型时,阻尼对它们的影响不大,可以忽略阻尼力对系统的影响。得到自由振动方程如下:

[M][¨X]+[K][X]={0}(2)设结构作如下的简谐振动:

{X}={x}co s(ωt)(3)将(3)式代入(2)式可得齐次方程:

([K]-ω2|M|){X}={0}(4)在自由振动时,结构中的各结点振幅不全为0,由此得到自由振动频率方程为:

([K]-ω2|M|){X}={0}(5) [K],[M]都是n阶方阵,其中n是结点自由度数目。所以上式是关于ω2的n次代数方程。系统的有频率和振型的求解问题就是求矩阵特征值ω和特征向量{X}的问题。求解式(5)可得到转子的自由振动固有频率和振型。

1.2　ANS YS模态提取算法

(1)模态分析的在ANS YS软件上的实现

模态分析用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型),也是瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析的起点。

模态分析过程由4个主要的步骤组成:建模、加载及求解、扩展模态和检查结果。

(2)建模

建模过程和其它类型的分析类似,但应注意以下两点:①在模态分析中只有线性行为是有效的;

②材料性质可以是线性或非线性的、各向同性的或正交各向异性的、恒定的或温度相关的。在模态分析中必须指定弹性模量EX和密度DENS。

(3)加载及求解

①指定分析类型和分析选项;模态提取的方法主要有降阶法、次空间法、区块Lanczo s法、阻尼法等。根据不同的研究问题的特点可以采用不同的方法进行模态分析;②定义主自由度只有在使用降阶法才有效;③在模型上加载。在典型的模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束。如果在某个DOF上指定了一个非零位移约束,程序将以零位移约束代替该DO F处的设置;④指定载荷步选项;⑤数据备份;⑥开始计算求解;⑦退出求解器。

(4)扩展模态

①再次进入ANS YS求解器。在扩展处理前必须明确地离开SOL U TION并重新进入SOL U TION;②激活扩展处理及相关选项;③指定载荷选项;④开始扩展处理;⑤如须扩展另外的模态,重复(2)、(3)和(4);⑥退出SOL U TION。

(5)观察结果

模态分析的结果被写入结构分析结果文件中。主要包括:固有频率、已扩展的振型和相应的应力分布。

由于子空间法能使大多数模态分析得到较好的解决,且具有很高的效率与精度,只需要很少的用户介入,所以本文采用该方法进行模态进行求解[4-8]。

1.3　有限元模型的建立

PAC KER内拉杆制造材料是钛合金,弹性模量E=108500M Pa,泊松比μ=0.41,密度是ρ=4500 kg/m3。利用ANS YS软件通过自底向上的建模方法建立PAC KER内拉杆的有限元模型,由于结构复杂,整个模型采用高精度的Solid95单元对PAC KER内拉杆进行网格划分[9-10]。Solid95单元能够容忍不规则的形状而保持足够的精度。Solid95单元具有协调的形函数并且能够很好的模拟曲线边界,对于PAC KER内拉杆来说,这种单元非常适合。采用粗网格和细网格两种方法进行划分:第1种方案:共划19345个单元,36059个节点;第2种方案:共划38945个单元,79859个节点。有限元模型如图1所示

。

图1　PACKER内拉杆的有限元模型

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