基于有限元分析的抽油机焊缝优化

姜彤， 李秀娟， 王德威

（大庆油田有限责任公司装备制造集团 抽油机分公司技术中心，黑龙江 大庆 163313）

0 引言

抽油机焊接结构件包括驴头、游梁、连杆、横梁、支架与底座。其中游梁结构基本采用埋弧自动焊方式，其余结构件由于结构或其他原因，均采用手工电弧焊。抽油机生产一般采用连续焊、等强度焊缝，增加了焊接工作量与工作强度。经调查研究发现，国外相关技术先进国家的抽油机结构件大量采用断续焊的方法，可有效节省焊接材料、节约工时费用，降低抽油机的生产成本。

为满足油田应用以及抽油机生产需要，基于API与国家标准，本文对抽油机主要结构件进行三维建模，通过有限元分析对焊缝设计的合理性进行验证，在保证连接结构强度的前提下，预判结构强度，优化焊接方式与焊接参数，从而达到提高焊接质量，减耗增效的目的。

1 三维参数化焊接模型

本文利用三维软件SolidWorks生成抽油机主要结构件焊缝分析三维模型，而后利用有限元分析软件ANSYS Workbench中的mesh模块简化、划分网格，更改模型快捷方便，能做到实时响应，大幅度提高分析效率。

图1 SolidWorks焊接模块

SolidWorks以Windows操作系统为运行平台，是一套功能强大的三维CAD设计软件。相比其他CAD设计软件，SolidWorks具有高效、迅速的实体建模功能，并可以根据结构件特征插入/焊件/添加圆角焊缝形成参数化焊接模型，实时修改，便于输入有限元软件中分析。ANSYS作为一个较成熟的仿真平台，其协同仿真环境平台ANSYS Workbench集成了多个模块，如MechanicalTransient structure等，使得分析和优化实现流程直观便捷［1］。

SolidWorks焊接模块如图1，生成的参数化焊缝模型如图2。

图2 SolidWorks生成参数化焊缝模型

2 抽油机游梁焊缝优化分析

利用SolidWorks对抽油机游梁进行三维造型，生成装配图如图3所示。

利用SolidWorks中的焊缝模块生成圆角焊缝，并能生成实体焊脚模型与焊接符号，用于后续焊接分析和工程图上，如图4所示。

图3 抽油机游梁装配图

图4 SolidWorks生成原焊接模型

将不同的焊接方式在建模之初进行修改，在SolidWorks软件中直接选择焊接方式，如图5所示。

图5 SolidWorks修改焊接方式生成新模型

按照本方案，将建立好的三维焊接模型，先后输入到ANSYS Workbench里，简化模型网格划分，建立了有限元分析模型，如图6、图7所示。

图6 分析模型建立

图7 划分网格后模型

图8 原游梁位移云图曲线（变形量单位为mm）

图9 原游梁整体应力值（单位为MPa）

图10 优化后游梁位移云图曲线（变形量单位为mm）

图11 优化后游梁整体应力值（单位为MPa）

游梁结构优化前后模态值对比见表1。

结构稳定参数对比如表2。

由以上分析可知，原设计游梁前部支座各件安全系数过大，支座挂环等效应力变化范围0～19.7 MPa，挡板等效应力变化范围为1.6～34.6 MPa，平板等效应力变化范围为1.3～71.0，千斤板等效应力变化范围为 8.8～23.9 MPa，筋板Ⅱ等效应力变化范围为11.0～44.1 MPa，筋板Ⅲ等效应力变化范围为4.6～21.8 MPa，原设计都为连续焊，焊高为10 mm；游梁体4条纵焊缝原设计单面连续焊，焊高为10 mm，采用埋弧焊焊接，可采用等强度设计，单面连续焊，焊高为8 mm；尾部4筋板、中座部位筋板原设计连续焊，焊高为8 mm，可采用交错断续焊，焊高为5 mm；尾部装平衡块箱体，原来设计单面连续焊，焊高为5 mm，可以采用单面断续焊，焊高为5 mm。

在改进连接结构强度的前提下，采用断续焊和连续焊的对比方式，分析出断续焊运用的最佳位置，焊接长度与间断长度的最佳配比等焊接参数。预计可将原工作量降低近20%左右。通过仿真技术的运用，可以针对不同结构件选择焊缝焊接方式，并对结构强度做出预判，提高焊接工作效率。

表1 游梁结构优化前后模态值对比

表2 结构稳定参数对比

3 结论

本文以国内油田用某型抽油机游梁为例，借助SolidWorks和ANSYS Workbench焊缝进行优化分析，节省焊材约4kg，有效提高生产效率，降低焊材消耗。通过焊接分析，了解到现行抽油机结构件焊接强度以及结构强度安全系数过大，下一步将进行参数化建模，完成结构整体优化。本方法可推广至其他行业结构件焊接方式优化过程。通过优化分析，可节省焊接材料，缩短焊接工时，降低企业成本。

［1］ 蒲广益.ANSYSWorkbench12教程基础教程与实例讲解［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.

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［6］ 芮勇勤，金生吉，赵红军.AutoCAD、SolidWorks实体仿真建模与应用解析［M］.沈阳：东北大学出版社，2010：72-73.

［7］ 胡楠，孔美虹，文绍成，等.基于NX7.0软件的万向升降台参数化建模与分析［J］.石油矿场机械，2012,41（2）：51-54.