主颚板机械强度理论计算与有限元分析研究
ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ现代制造工程（ＭｏｄｅｒｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）２０１５年第３期
主颚板机械强度理论计算与有限元分析研究倡
成浩１，周井玲１，程志明１，陆鹏鹏１，何云华２
（１南通大学机械工程学院，南通２２６０１９；２江苏如东通用石油机械股份有限公司，南通２２６４９９）
摘要：为了确保液压动力钳的上扣质量，针对液压动力钳主颚板的结构特点以及受力情况，利用确定结构危险截面的方法，推导出了主颚板机械强度的理论计算公式，并通过实例应用，分别采用理论计算公式与有限元分析方法进行计算，二者误差仅为３．１％，验证了理论计算公式的正确性。同时针对主颚板存在的应力集中现象，利用有限元法对不同大小的过渡圆角半径进行分析比较，发现最佳过渡圆角半径为R３ｍｍ，此时主鄂板的最大应力降低了１０％，应力集中现象得以改善。
关键词：液压动力钳；主颚板；强度校核；节点应力；路径映射
中图分类号：ＴＨ１２３＋．３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—３１３３（２０１５）０３—００６７—０４
Theoretical calculation of mechanical strength and finite element
analysis about the primary jaw plate
ＣｈｅｎｇＨａｏ１，ＺｈｏｕＪｉｎｇｌｉｎｇ１，ＣｈｅｎｇＺｈｉｍｉｎｇ１，ＬｕＰｅｎｇｐｅｎｇ１，ＨｅＹｕｎｈｕａ２
（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｔｏｎｇ２２６０１９，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；
２ＪｉａｎｇｓｕＲｕｄｏｎｇＧｅｎｅｒａｌＰｅｔｒｏｌｅｕｍＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｎａｎｔｏｎｇ２２６４９９，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｍａｋｅ－ｕｐｂｙｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｏｗｅｒｔｏｎｇｓ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｐｒｉｍａｒｙｊａｗｐｌａｔｅｈａｓｂｅｅｎｄｅｒｉｖｅｄ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒａｎｄｓｔｒｅｓｓｓｉｔｕａｔｉｏｎａｂｏｕｔｐｒｉｍａｒｙｊａｗｐｌａｔｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈａｎｐｒａｃｔｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｕｓｅｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ．Ｆｏｕｎｄｔｈｅｅｒｒｏｒｏｆｔｈｅｒｅｓｕｌｔｗａｓｊｕｓｔ３．４ｐｅｒｃｅｎｔ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅｔｏａｇａｉｎｓｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｉｎｐｒｉｍａｒｙｊａｗｐｌａｔｅ，ｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｆｉｌｌｅｔｒａｄｉｕｓｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ．Ｆｏｕｎｄｔｈｅｂｅｓｔｒａｄｉｕｓｗａｓ３ｍｍ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄ１０％．
Key words：ｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｏｗｅｒｔｏｎｇｓ；ｐｒｉｍａｒｙｊａｗｐｌａｔｅ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｃｈｅｃｋ；ｎｏｄｅｓｔｒｅｓｓ；ｒｏｕｔｅｍａｐｐｉｎｇ
０ 引言
在石油开采作业过程中，下套管是一项很重要的工序，其作业质量直接影响到油、气井井壁的流动、渗漏或坍塌［１］。然而在实际生产过程中，时常会出现由于管柱上扣扭矩过小，造成管柱滑脱［２］，进而导致管柱落井，给油气开采带来经济损失。套管钳是目前广泛应用的下套管工具，为改善套管的上扣质量，套管钳的上扣扭矩需要得到很好的保证。刘国辉［３］和吴文秀［４］等人针对液压动力钳的上扣过程，研究出了一套套管上扣扭矩监控系统，虽然应用的监控原理不一样，但是都能够实现对上扣扭矩的监控。笔者认为液压动力钳主要的受力部件是夹紧管柱的主颚板，因此需要验证主颚板是否具备足够的机械强度承受最大上扣扭矩所产生的载荷。
判断机械零件的强度是否满足要求有两种方法，一种是判断危险截面处的最大应力是否小于或等于许用应力，另一种是判断危险截面处的实际安全系数是否大于或等于许用安全系数［５］。由于许用应力取决于材料与结构，许用安全系数取决于结构和工况，因此实际中第一种方法应用更为广泛。本文基于第一种判断方法推导出了主颚板机械强度的理论计算公式，对于同类产品的机械强度校核具有实际意义。
１ 主颚板的机械强度理论计算
１．１ 受力模型
根据液压动力钳主颚板的结构以及受力特点，首先对主颚板进行受力分析，然后应用材料力学理论［６］校核其机械强度。主颚板受力分析如图１所示，图１ａ所示为主颚板实际受力示意图，图１ａ中F为主颚板
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倡江苏省“六大人才高峰”项目（２０１１－ＺＢＺＺ００９）