深水钻井隔水管法兰接头有限元分析程序.pdf

CHINA PETROLEUM MACRINERY
2011年第39卷第3期
设计计算
深水钻井隔水管法兰接头有限元分析程序
王荣耀陈国明鞠少栋
(中国石油大学(华东)海洋油气装备与安全技术研究中心)
摘要以 ABAQUS軟件为求解器,开发了针对深水钻井隔水管法兰式接头的有限元分析专用
序。该程序利用 ABAQUS命令流建立法兰接头的有限元模型,采用 Python语言实现其建模和求
解过程的参数化,再通过 Visual Basic环境设计用户界面。 Cameron公司某等级RF型钻井隔水管
分析实例表明,其螺栓最大等效应力发生在螺栓肩部,与实际情況吻合。说明程序具有较好的实
用性,可为深水钻井隔水管法兰接头的优化设计提供参考。
关键词深水钻井法兰接头 ABAQUS有限元隔水管
其建模和求解过程的参数化,再通过VB环境开发
0引言
友好的用户界面,对复杂的 ABAQUS命令流进行
后台封装,设计出专门针对深水钴井隔水管接头的
海洋钻井隔水管是连接海底井口和钻井浮船的有限元分析程序,可为深水钻井隔水管法兰接头的
重要部件。隔水骨接头提供了一种隔水管単根快速优化设计提供参考。
连接和脱离的方式。隔水管接头负责隔水管柱的重
力传递,另外还可能要提供节流、压井和辅助管线1法兰接头有限元分析模型
的支撑山,因此是隔水管系统乃至整个钴进系统
工况相对比较恶劣的海域得到了广泛应用”?委1
中的关键部分。在众多类型的隔水管接头中,传统
模型的建立
的螺栓法兰接头由于强度高,承受载荷能力强,
采用大型通用有限元分析软件 ABAQUS建立
法兰接头的有限元模型,选用三维实体单元模拟法
对于深水隔水管接头,国外P. Fassina等对兰和螺栓、螺母等元件。在大规模结构计算中,计
套卡接头的失效形式进行了有限元分析和试验分算速度和求解精度是非常重要的问题。建模过程充
析,给出了接头的应力危险区域。H. Bahai“按
分利用模型剖分和网格控制技术,尽可能获得六面
API规范确定钻井隔水管螺纹式接头尺寸,使用有
体网格,以减小解题规模,提高计算精度。螺栓模
限元法计算了在轴向载荷和弯矩作用下的应力集中
系数。 Gary I-Fox等用 COSMIC/NASTRAN程序型整体采用规则的六面体网格,法兰的螺栓沉孔
对HMF隔水管法兰接头进行有限元分析。以上公和与主管连接处也采用规则的六面体网格,其他部
析使用的有限元分析工具都是通用型软件,存在用分不便生成六面体单元,故采用白由网格划分。在
户上手慢、参数修改不方便的缺点。目前,专门针结构的高应力区域进行网格细化,例如在接头螺
对隔水管接头的有限元分析工具还比较缺乏。
栓、螺母与法兰的接触处以及接头与隔水管单根的
利用通用有限元分析软件设计求解器,通过连接处,都进行了网格细化。
VC++、VB等通用编程语言实现用户界面,是将
隔水管的构造特性将会影响局部应力结果,根
通用有限元分析软件向专业领域推广的有效手段之据圣维南原理,模型必须延伸至距离关键区域足够
一。笔者以 ABAQUS软件为求解器,在 ABAQUS远,以确保结果不受边界效应的影响,对于笔者所
有限元分析模型的某础上,采用 Python语言实现建立的隔水管接头模型而言,所取模型长度远大于
基金项目:国家“863”高技术研究发展计划项目“深水钴井隔水管系统技术研究”(2008AA09A106)。
2011年第39卷第3期
王荣耀等:深水钴井隔水管法兰接头有限元分析程序
2.5√5,其中,r为半径,b为壁厚。故根据圣维 Python命令流2部分。VB界面程序负责接受用户的
南原理,可以忽略边界对计算模型应力的影响。由选择和输人,并进行结果图片的显示和强度校核。
于模型中接触对比较多,考虑到模型的对称性,为 ABAQUS命令流负责接头的参数化建模、求解分析
了节省计算分析时间,建立接头简化建模,建立结果图片的生成和应力极值的提取。VB界面程序
的接头模型如图1所示。
通过修改 ABAQUS/ Python命令流的相关参数来实
现对整个分析过程的控制。该程序将VB界面程序
操作简单、使用方便的优点和 ABAQUS强大的有
限元分析能力融为ー体。用户只需输人诸如接头尺
寸、材料特性和载荷等参数,系统就能自动调用
ABAQUS计算程序进行网格划分、加载以及求解,
并读取 ABAQUS计算得到的结果文件,进行结果
云图显示、强度校核等后处理工作。整个程序的框
图1法兰接头有限元模型
架结构如图2所示。
1.2载荷与边界条件的施加
VB界面程序
模型参数厂F
法兰式隔水管接头连接时,须使用专用工具对
模型参改设置模售??B人 JS/Python
螺栓施加一定的预紧力。在预紧力作用下,螺栓处
求解参数
于受拉状态,而被连接件法兰则受压。为了模拟螺
运行状态/求解设置/监视模因改行
生成
读取
栓的这种预紧效果,需要在螺栓中部对其进行剖
结果图片
图片显示模块
读取?
分,并在剖分面上施加螺栓载荷。在实际接触分析
中,为了改善求解的收敛性,在加载真实预紧力载
校核结果)十接头州反校関-「取应力极位
荷前施加很小的载荷,通常是1/100~1/1000。分
图2程序整体框架结构
析过程建立4个载荷步。初始载荷步建立接触和边2.2主要功能模块的实现
界条件;第2步施加很小的预紧力加快收敛;第3
参数化建模功能靠VB界面程序的模型参数设
步是将第1步的螺栓预紧力修改为实际考虑的预紧置模块和 ABAQUS/ Python命令流的参数化建模部
力,并在以后的载荷步中保持不变;第4步施加工分共同完成。VB界面程序的模型参数设置模块可
作载荷,计算预紧力和工作载荷联合作用时的结以进行设置的参数包括模型尺寸、材料特性、载荷
果。其中初始载荷步为系统默认建立的载荷步,后参数和网格密度参数,并可以进行英制与国际单位
面的几个载荷步需要用户于工添加。
的换算。 ABAQUS/ Python命令流的参数化建模部
由于采用的是剖分模型,故需在拓法兰盘侧面分通过 ABAQUS建模语言和 Python语言的嵌套来
施加镜像约束。下法兰端部与下方的隔水管相连,实现建模过程的参数化。为了使用 ABAQUS的建
视为轴向固定,施加轴向位移约束。上法兰端部与模语言,首先需要采用 from abaqus import'、from
上部隔水管相连,施加轴向张力,实际分析时是将 abaqus Constants import'等命令导入相关的重要模
工作载荷简化为均匀分布的面力施加在上法兰端块。导人 abaqus模块后就可以在脚本中采用mdb
部。接头上法兰和下法兰之间以及法兰和螺栓、螺对象,导人 abaqus Constants模块后可以在脚本中
母之间都存在接触。为了精确模拟上述接触作用,使用 ABAQUS预定义的一些参数,之后便可进行
在 ABAQUS中通过定义相互作用建立接触对。分模型创建。在建立模型之前,通常会先定义螺栓的
析过程中考虑3种类型的接触:法兰盘之间的接一些基本参数,以方便对模型的修改。
触、螺栓和法兰盘螺栓孔之间的接触、螺母和下法
后处理功能包括结果云图的查看和极值应力的
兰螺母孔之间的接触。螺栓和螺母之间无相