Компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб
The capability of computer-aided engineering is considered for the computer imitation of different components of drill stem on-load.
Saved in:
| Published in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Date: | 2008 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2008
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138112 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб / А.А. Кожевников, А.К. Судаков, А.А. Пащенко, А.Ф. Камышацкий, В.В. Прийма // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 93-96. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-138112 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Кожевников, А.А. Судаков, А.К. Пащенко, А.А. Камышацкий, А.Ф. Прийма, В.В. 2018-06-18T08:17:38Z 2018-06-18T08:17:38Z 2008 Компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб / А.А. Кожевников, А.К. Судаков, А.А. Пащенко, А.Ф. Камышацкий, В.В. Прийма // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 93-96. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 2223-3938 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138112 622.24 The capability of computer-aided engineering is considered for the computer imitation of different components of drill stem on-load. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения Компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб |
| spellingShingle |
Компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб Кожевников, А.А. Судаков, А.К. Пащенко, А.А. Камышацкий, А.Ф. Прийма, В.В. Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| title_short |
Компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб |
| title_full |
Компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб |
| title_fullStr |
Компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб |
| title_full_unstemmed |
Компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб |
| title_sort |
компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб |
| author |
Кожевников, А.А. Судаков, А.К. Пащенко, А.А. Камышацкий, А.Ф. Прийма, В.В. |
| author_facet |
Кожевников, А.А. Судаков, А.К. Пащенко, А.А. Камышацкий, А.Ф. Прийма, В.В. |
| topic |
Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| topic_facet |
Породоразрушающий инструмент из сверхтвердых материалов и технология его применения |
| publishDate |
2008 |
| language |
Russian |
| container_title |
Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| format |
Article |
| description |
The capability of computer-aided engineering is considered for the computer imitation of
different components of drill stem on-load.
|
| issn |
2223-3938 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/138112 |
| citation_txt |
Компьютерное моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб / А.А. Кожевников, А.К. Судаков, А.А. Пащенко, А.Ф. Камышацкий, В.В. Прийма // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2008. — Вип. 11. — С. 93-96. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT koževnikovaa kompʹûternoemodelirovanienagruzokvsoedineniâhburilʹnyhtrub AT sudakovak kompʹûternoemodelirovanienagruzokvsoedineniâhburilʹnyhtrub AT paŝenkoaa kompʹûternoemodelirovanienagruzokvsoedineniâhburilʹnyhtrub AT kamyšackiiaf kompʹûternoemodelirovanienagruzokvsoedineniâhburilʹnyhtrub AT priimavv kompʹûternoemodelirovanienagruzokvsoedineniâhburilʹnyhtrub |
| first_indexed |
2025-11-27T07:15:50Z |
| last_indexed |
2025-11-27T07:15:50Z |
| _version_ |
1850803271580516352 |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
93
УДК 622.24
А.А. Кожевников, докт.техн.наук; А.К. Судаков; А.А. Пащенко, кандидаты технических
наук; А.Ф. Камышацкий; В.В. Прийма,
Национальный горный университет, г. Днепропетровск, Украина
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЗОК В СОЕДИНЕНИЯХ БУ-
РИЛЬНЫХ ТРУБ
The capability of computer-aided engineering is considered for the computer imitation of
different components of drill stem on-load.
Бурильные трубы являются неотъемлемой частью бурового оборудования и служат
для спускания бурового снаряда в скважину, обеспечения промывки или продувки ее забоя,
передачи вращения породоразрушающему инструменту с поверхности от вращателя станка,
передачи осевой нагрузки на забой скважины, подъема бурового снаряда из скважины,
транспортировки керна, съемных керноприемников и ликвидации аварий. Соответственно
они испытывают в скважине различные напряжения: во время спуска бурового снаряда под-
вергаются растяжению (особенно в верхней части колонны); в процессе бурения одновре-
менно подвергаются скручиванию, изгибу, растяжению в верхней и сжатию в нижней части
колонны; вибрационным нагрузкам; при подъеме бурового снаряда, особенно в случае за-
клинения его в скважине, испытывают большие растягивающие усилия, иногда приводящие
к обрыву бурильных труб и аварий. Кроме того, в процессе вращения бурильные трубы и их
соединения изнашиваются по наружной поверхности.
В связи с разнообразием предлагаемых типов бурильных труб и их соединений, воз-
никает задача быстрого и точного их выбора под условия выполняемых работ. Эту задачу
можно решить с помощью аналитических расчетов или компьютерного моделирования на-
грузок во всей бурильной колонне или в «слабых» ее участках.
Методы аналитических расчетов громоздки и трудоемки - для расчета каждого нового
элемента необходимо по-новому составлять его математическое описание.
Для компьютерного твердотельного моделирования используют системы автоматизи-
рованного проектирования и инженерного анализа (CAE).
CAE (англ. Computer-aided engineering) – общее название для программ или про-
граммных пакетов, предназначенных для инженерных расчетов, анализа и симуляции физи-
ческих процессов. Расчетная часть пакетов чаще всего основана на численных методах ре-
шения дифференциальных уравнений (конечных элементов, объемов, разностей и др.).
Современные системы автоматизации инженерных расчетов (CAE) применяют совме-
стно с CAD-системами (геометрическое проектирование изделия) (зачастую интегрируются
в них, в этом случае получаются гибридные CAD/CAE-системы).
В русском языке эти системы называют САПР, подразумевая CAD/CAM/CAE.
Наиболее распространены следующие CAE-системы: ANSYS – универсальная систе-
ма КЭ анализа с встроенным пре-/постпроцессором; MSC.Nastran – система КЭ анализа с
пре-/постпроцессором MSC.Patran и др.
Для моделирование нагрузок в соединениях бурильных труб была выбрана средняя по
уровню система SolidWorks как наиболее известная и распространенная в нашей стране.
Пакет SolidWorks (CAD) служит программной платформой для различных приложе-
ний (CAE). Таким образом, в окне этой программы можно запускать совместимые приложе-
ния, разработанные корпорацией «SolidWorks» как надстройки для SolidWorks. Некоторые
программы, работающие на платформе SolidWorks: COSMOS/Works – инженерные расчеты;
Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
94
COSMOS/Motion – динамический анализ механизмов; COSMOS/Flow – модуль для анализа
поведения жидкостей и газов в широком диапазоне чисел Рейнольдса и т. д. [1].
В качестве базового элемента для расчетов было взято муфто-замковое соединение
ЗН-80 с бурильными трубами 63,5 мм (рис. 1). Поведение данного элемента было промоде-
лировано под следующими нагрузками: 10000 и 50000 Н на растяжение и сжатие. В качестве
материала бурильных труб была взята легированная сталь со следующими параметрами: мо-
дуль упругости – 2,1∙1011 Н/м2; коэффициент Пуассона – 0.28; массовая плотность – 7700
кг/м3; предел текучести – 6,2042·108 Н/м2.
а) б)
Рис. 1. Муфтозамковое соединение ЗН-80: (а – в разрезе; б – расчетная схема); 1, 4 – тру-
бы; 2 – ниппель замка; 3 – муфта замка.
Для исследования деформации конструкции фрагмента бурильной колонны и нагляд-
ной визуализации эпюр распределения напряжений, а так же перемещения материала был
использован модуль COSMOSXpress программной среды SolidWorks. Этот модуль осущест-
вляет расчеты методом конечных элементов (МКЭ), который в настоящее время является
стандартным при решении задач механики твердого тела посредством численных алгорит-
мов. Популярный в свое время метод конечных разностей, а также претендовавший на уни-
версальность метод граничных элементов (граничных интегральных уравнений) сейчас за-
нимают ниши, ограниченные исследовательскими или специальными задачами. Абсолютное
большинство конструктивных элементов, узлов и конструкций, изготовленных из различных
материалов различной природы, рассчитывают МКЭ [2] (рис. 2).
Рис. 2. Сетка построения метода граничных элементов
1 2 3 4
РАЗДЕЛ 1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
95
Результаты моделирования с помощью САЕ SolidWorks показаны на рис. 3 – 6 и при-
ведены в таблице.
а) б)
Рис. 3. Распределение напряжений при растяжении (а – нагрузка 10000 Н; б – нагрузка
50000 Н)
Рис. 4. Распределение деформаций при растяжении элемента
а) б)
Рис. 5. Распределение напряжений при сжатии элемента (а – нагрузка 10000 Н; б – нагрузка
50000 Н)
Рис. 6. Распределение деформаций при сжатии элемента
Выпуск 11. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
96
Результаты компьютерного моделирования в COSMOSXpress
Минимум Максимум
Тип и
значение
нагрузки
Измеряе-
мый пара-
метр Значение
Местоположе-
ние по оси со-
ответственно Х,
Y, Z, мм
Значение
Местоположение
по оси
соответственно Х,
Y, Z, мм
Напряже-
ние
593494 Н/м2 -31,6; 5,2; -39,6 6,1∙106 Н/м2 212,8; -30,9; -17,8Сжатие,
10000 Н Деформа-
ция
0 м
281; 3,1∙10-15;
25,7
9,6∙10-6 м -262,3; 27,9; -22,2
Напряже-
ние
2,9∙106 Н/м2 -31,7; 5,2; -39,7 3,0∙107 Н/м2 212,7; -30,9; -17,8
Сжатие,
50000 Н Деформа-
ция
0 м
281; 3,1∙10-15;
25,7
4,8∙10-5 м -262,3; 27,9; -22,2
Напряже-
ние
544812 Н/м2 -31,6; 5,2; -39,6
6,1∙e+006
Н/м2 212,7; -30,9; -17,8Растяже-
ние,
10000 Н Деформа-
ция
0 м
281; 3,1∙10-15;
25,7
1,0∙10-5 м -262,3; 27,9; -22,2
Напряже-
ние
2,9∙106 Н/м2 -31,6; 5,2; -39,6 3,0∙107 Н/м2 212,7; -30,9; -17,8Растяже-
ние,
50000 Н Деформа-
ция
0 м
281; 3,1∙10-15;
25,7
4,8∙10-5 м -262,3; 27,9; -22,2
Как видим из данных таблицы, точки наибольших напряжений одинаковы как при
сжимающих, так и при растягивающих нагрузках. Таким образом, можно утверждать, что
именно эти зоны являются «слабыми» в рассматриваемом элементе и именно в них произой-
дет усталостное разрушение материала. Это также подтверждают как аналитические, так и
практические результаты [3].
При расчетах с использованием САЕ методом МКЭ следует учитывать неизбежные
при любой численной аппроксимации условности и погрешности. Поэтому вопрос соответ-
ствия расчетной модели реальности является основным при использовании программ анали-
за. Следовательно, качество заключений, на основе результатов всецело зависит от квалифи-
кации, а также применительно к расчету на прочность, принципиального ознакомления с
основами МКЭ. На эту тему опубликовано множество книг, [2; 4], и документации к про-
граммам.
Таким образом, не следует основывать проектные решения исключительно на данных,
представленных САЕ. Использовать эту информацию необходимо совместно с эксперимен-
тальными данными и практическим опытом. При этом COSMOSXpress помогает значитель-
но сократить время продвижения на рынок продукции путем уменьшения количества испы-
таний в условиях эксплуатации, сокращения времени расчетных работ и наглядности пре-
доставляемого материала.
Литература.
1. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике /А.А. Алямовский
и др. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 800 с.
2. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. – М.: Мир, 1984.
3. Лачинян Л.А. Конструирование, расчет и эксплуатация бурильных геологоразведоч-
ных труб и их соединений. – М.: Недра, 1975. – 232 с.
4. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред: Пер. с англ. –
М.: Мир, 1976.
Поступила 03.07.08
|