深海钻井用高压泥浆泵轻量化设计研究

摘要

随着陆地油气资源的日渐枯竭，油气资源开发已转向海洋领域。在海洋油气资源的开发过程中，需要强大的海洋钻井装备研发能力。泥浆泵是钻机的“心脏”，也是海洋石油钻井装备中重要的设备之一。目前，海上深水钻井作业要求泥浆泵具有功率大、承受压力高、重量轻、结构紧凑等特点，同时，国内现有泥浆泵多数存在体积庞大、结构设计裕量过大等缺点。因此，在保证产品运行可靠性的前提下，为了降低产品能耗、提高产品竞争力，对泥浆泵结构进行轻量化设计研究具有十分重要的意义。 本课题受企业委托，以采用国产材料动力端的P2200型高压泥浆泵为对象，对其进行结构轻量化设计研究，主要完成了以下工作： 首先，基于企业现有的设备技术图纸，综合考虑与ANSYS Workbench优化平台接口的匹配度，选择了SolidWorks软件建立设备零部件的三维参数化模型；为了保证在优化平台中对优化参数的识别，在SolidWorks软件中对零部件设置了关键参数，为后续部件参数的优化做好了准备。 其次，为了解泵体运行规律及结构静强度是否满足要求，对泥浆泵动力端主要部件综合应用理论力学等解析方法完成了运动学和静力学分析；为了明确结构应力分布，根据静力分析载荷数据对动力端关键部件泵体和曲轴进行了有限元分析，据此得到了泵体和曲轴的极限工况，为后续结构优化设计中边界条件设置及载荷施加提供了依据；为明确泵体对外界激励的响应，对其做了基于有限元的模态分析，研究了不同模态下结构的变形情况，对后续优化提出了动力学分析建议，这也为后续结构优化中边界条件的确定提供了依据。 最后，基于静力学、有限元分析及模态分析的结论，为进一步确定结构的优化方向，在对泵体和曲轴进行参数优化前做了拓扑分析，这为后续优化更清晰地指明了方向；对参数化模型，结合有限元方法，综合应用响应面方法技术、改进型遗传算法、中心试验法等现代优化设计中常用的方法，对结构参数进行优化，得到了多组轻量化建议方案；为了确定最终的优化方案，基于同一优化平台（ANSYS Workbench）对优化后的部件性能同原设计进行了对比，在泵体方案比选中，提出了控制曲轴及小齿轮轴轴承座变形的思路，并据此确定了可行的最终优化方案。在保证产品性能的前提下减重达5.2%左右，有效降低了产品能耗。 该基于有限元和响应面等优化理论的方法，对同类产品结构优化设计具有参考意义。

目录

声明

附表索引

插图索引

第1章 绪论

1.1 课题背景来源及意义

1.2 国内外现状及发展趋势

1.3 计算方法的发展历程

1.4 论文主要研究内容

第2章 课题任务及目标

2.1 课题对象

2.2 课题任务及技术方案

2.3 工作安排

第3章泥浆泵动力端关键部件的静力学及有限元分析

3.1 泥浆泵动力端的运动特性分析与计算

3.2 泥浆泵动力端关键部件的静力学分析

3.3 泥浆泵动力端关键部件的有限元分析

3.4 泥浆泵动力端静力学及有限元分析结论

3.5 本章小结

第4章 泥浆泵动力端关键部件的动力学分析

4.1 模态分析理论基础

4.2 动力学分析结论

4.3 本章小结

第5章 泥浆泵动力端关键部件的优化设计

5.1 泵体的结构优化设计

5.2 曲轴的结构优化设计

5.3 本章小结

第6章 泥浆泵动力端关键部件的仿真验证

6.1 泥浆泵泵体的仿真分析

6.2 泥浆泵曲轴的仿真分析

6.3 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间所发表论文