旋转尾管悬挂器轴承动态接触及摩擦热数值模拟

发布时间：2017-03-19 06:00

  本文关键词：旋转尾管悬挂器轴承动态接触及摩擦热数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：采用旋转尾管悬挂器固井工艺可以解决超深井、大位移井等复杂井固井难的问题,利用旋转尾管固井是通过尾管的旋转,使尾管下放难度降低,同时使水泥顶替效率提高,这在石油钻探领域有重要应用价值。该设备的核心零件是止推轴承,该止推轴承在一定的受力面积下,要承受上百吨的载荷,属于低速重载轴承,同时,还有井下高温泥浆、硫化氢等腐蚀性气体的作用,工况十分复杂。基于旋转尾管悬挂器轴承复杂的工况特点,本论文对该型轴承的动态接触特性以及摩擦热进行了数值模拟研究。本论文首先分析了旋转尾管悬挂器轴承的结构特点,采用大型显示非线性动力学分析软件ANSYS-LSDYNA,建立该型轴承动态接触简化分析模型,对轴承的运行状态进行仿真,分析了弹性材料和弹塑性材料两种材料模型下轴承滚子的动态接触应力应变情况。仿真结果表明,在弹性材料模型下,滚子小端应力明显大于滚子大端应力,这符合赫兹接触应力分布的一般规律;在弹塑性材料模型下,同弹性材料相比,滚子与轴圈接触部位应力分布比较均匀,同座圈接触部分有应力集中现象。旋转尾管悬挂器轴承属于低速重载轴承,在滚子与滚道接触变形区会产生差动滑动,进而会产生摩擦。本文在ANSYS-Workbench软件中建立该型轴承摩擦热简化分析模型,对承载接触区的摩擦热进行仿真,并与无摩擦功存在时轴承的温度场进行对比,研究摩擦热对温度场的影响,通过热机耦合分析,研究摩擦热对轴承接触应力的影响,并与无摩擦功存在时接触应力进行比较,仿真结果表明,摩擦功的存在对轴承温度场的影响不可忽略,可使得滚子与滚道接触区最高温度升高近30摄氏度;摩擦功的存在可使接触应力和应变增加,但增加幅度不大,无显著影响。本文采用数值模拟技术,从动载荷、摩擦热以及不同的材料模型等角度出发,分析上述因素对旋转尾管悬挂器轴承接触应力等的影响。这对缩短旋转尾管悬挂器轴承的开发周期,提高该型轴承设计寿命有重要意义。
【关键词】：尾管固井器轴承 动态接触 摩擦热
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE925.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.1.1 旋转尾管悬挂器介绍10
• 1.1.2 研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 国内研究现状12-14
• 1.2.2 国外研究现状14-15
• 1.3 本文主要内容及研究方法15-18
• 1.3.1 本文主要研究内容15-16
• 1.3.2 论文研究方法16-18
• 第二章 轴承动态接触及摩擦热理论18-28
• 2.1 动态接触理论18-21
• 2.1.1 显式算法18-19
• 2.1.2 滚动接触19-21
• 2.2 接触应力理论21-24
• 2.2.1 表面应力21-23
• 2.2.2 次表面应力23-24
• 2.3 滚动接触中的摩擦热24-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第三章 旋转尾管悬挂器轴承模型建立及简化28-36
• 3.1 轴承模型的建立28-29
• 3.2 滚子倾角对应力分布的影响29-32
• 3.2.1 滚子受力分析29-30
• 3.2.2 分析流程30-31
• 3.2.3 结果分析31-32
• 3.3 滚子数目对最大应力的影响32-34
• 3.4 模型简化34-35
• 3.4.1 动态接触分析模型的简化34-35
• 3.4.2 摩擦热分析模型简化35
• 3.5 本章小结35-36
• 第四章 旋转尾管悬挂器轴承动态接触分析36-55
• 4.1 ANSYS LS-DYNA软件及仿真流程介绍36-37
• 4.1.1 ANSYS LS-DYNA软件36-37
• 4.1.2 轴承动态接触仿真流程37
• 4.2 基于LS-DYNA有限元分析模型建立37-42
• 4.2.1 材料模型及其参数的设定37-39
• 4.2.2 网格划分、接触设置及加载39-42
• 4.3 求解结果分析42-54
• 4.3.1 弹性材料模型计算结果42-48
• 4.3.2 弹塑性材料模型计算结果48-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 旋转尾管悬挂器轴承摩擦热分析55-65
• 5.1 热流分析及摩擦生热量的计算55-57
• 5.1.1 热流分析55-56
• 5.1.2 摩擦生热量的计算56-57
• 5.2 摩擦热有限元模型建立57-60
• 5.2.1 滚动摩擦热仿真流程57
• 5.2.2 建立模型及载荷施加57-60
• 5.3 计算结果讨论60-64
• 5.3.1 摩擦功对温度场的影响60-63
• 5.3.2 摩擦功对接触应力的影响63-64
• 5.4 本章小结64-65
• 第六章 总结及展望65-67
• 6.1 全文总结65
• 6.2 展望65-67
• 致谢67-68
• 参考文献68-72
• 附录72

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