压裂泵动力端连杆轻量化设计

发布时间：2017-11-01 04:09

  本文关键词：压裂泵动力端连杆轻量化设计

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【摘要】：随着经济的快速发展,我国对石油天然气的需求量不断增加,页岩气、煤层气等非常规油气资源勘探开采已成为国家能源开发的战略之一。压裂泵是非常规油气资源气开发中压裂作业技术的核心设备,连杆是压裂泵动力端主要的传动部件之一,在工作中受到拉伸、压缩和弯曲等交变载荷作用,容易在高应力区域发生疲劳破坏,这就要求连杆在工作时不仅具有足够的强度和抗疲劳性能,还要求连杆的形状合理,质量尽可能轻,以减小连杆在运动中产生的惯性力。随着压裂泵朝大排量、大功率、高泵压的方向发展,连杆的工作环境越来越恶劣。因此,进行连杆轻量化设计,对提高连杆工作的可靠性和使用寿命,确保压裂泵能多段连续作业有重要的意义。本课题以某型号压裂泵动力端连杆为研究对象,用接触有限元法对连杆静态特性进行分析,找出了结构的薄弱环节,在此基础上,对连杆进行了轻量化设计。主要完成了以下工作:1.连杆运动和受力分析。采用解析法对连杆的运动规律和运动过程中的受力情况进行了分析,找到连杆所受作用力随曲柄转角变化的关系式,并绘制了连杆在一个工作周期内的载荷谱,得到了拉压工况下连杆所受的最大载荷,为连杆有限元分析施加载荷边界条件提供依据。2.连杆静态特性分析。首先利用接触有限元法(考虑十字头销、曲轴对连杆的影响)对连杆螺栓的强度进行了分析,然后对连杆体与轴承座结合面不合理的螺栓布局进行了设计,使每个螺栓的受载均匀,在此基础上,对连杆在最大拉工况和最大压工况进行了静力学分析,得到了连杆在两种工况下的应力分布和变形情况,并对连杆高应力区域的疲劳强度进行了校核,通过对连杆静力分析,找到了结构的薄弱环节以及需要改进的部位,为后续连杆的设计和改进提供了依据。3.连杆轻量化设计。首先对连杆进行了拓扑优化设计,找到了结构需要改进的部位,在此基础上,以连杆质量为目标函数,对轴承盖壁厚、连杆应力集中点及杆身等相关尺寸进行了灵敏度分析,找出了对连杆质量影响较大的尺寸,通过施加应力约束和边界约束条件,对连杆进行了尺寸优化设计。最后对优化后的连杆结构进行了静动态性能分析,验证了运用拓扑优化和尺寸优化获得轻量化结果的合理性。
【关键词】：连杆 有限元 轻量化设计
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE934.2
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 课题背景及研究意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.2.1 压裂泵发展现状14-15
• 1.2.2 轻量化设计的研究现状15-17
• 1.3 本文研究目标与研究内容17-18
• 1.3.1 研究目标17
• 1.3.2 研究内容17-18
• 1.4 本章小结18-19
• 第二章 有限元理论19-27
• 2.1 有限元法基本思想19-24
• 2.2 有限元法在接触问题中的应用条件24-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第三章 连杆运动和载荷分析27-41
• 3.1 压裂泵工作原理和基本结构27-28
• 3.1.1 压裂泵工作原理27-28
• 3.1.2 压裂泵基本结构28
• 3.2 柱塞和连杆运动分析28-35
• 3.2.1 柱塞运动分析29-33
• 3.2.2 连杆运动分析33-35
• 3.3 连杆受力分析35-38
• 3.4 连杆载荷分析38-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 基于连杆螺栓的静态分析41-53
• 4.1 连杆螺栓强度计算41-50
• 4.1.1 连杆螺栓静强度和疲劳强度分析41-45
• 4.1.2 连接连杆体与轴承座的螺栓组布局设计45-50
• 4.2 改进螺栓组布局后连杆静力学分析50-51
• 4.2.1 最大拉工况50
• 4.2.2 最大压工况50-51
• 4.3 连杆疲劳强度分析51-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第五章 连杆轻量化设计53-68
• 5.1 连杆优化设计53-60
• 5.1.1 连杆拓扑优化设计53-54
• 5.1.2 连杆尺寸优化设计54-60
• 5.2 连杆优化结果分析和对比60-67
• 5.2.1 连杆静态分析结果对比61-63
• 5.2.2 连杆模态分析结果对比63-67
• 5.3 本章小结67-68
• 总结与展望68-70
• 总结68
• 展望68-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-75
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表论文75

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本文编号：1125115