海洋钻井绞车水冷盘式制动器失效机理分析

摘要

盘式制动器是海洋钻井绞车制动系统的核心部件,其在制动工作时由于热疲劳而出现裂纹甚至断裂,因此开展海洋钻井绞车盘式制动器热疲劳失效机理研究,对确保钻井作业人员和设备的安全具有重要的意义。本文以水冷盘式制动器为研究对象,运用有限元的方法研究了水冷盘式制动器的热-机耦合特性,并以此为基础分析了制动盘热疲劳裂纹形成机理。论文的主要研究内容及创新工作如下:
　　(1)阐述了论文研究的基础理论,包括摩擦生热理论、热传导理论和热-机耦合分析理论,给出了温度场热传导的有限元求解方法和热-机耦合条件下温度场与应力场的有限元描述。
　　(2)根据水冷盘式制动器结构特点,建立了制动系统的热-机耦合理论分析模型,并确定了其热分析的初始条件和边界条件。利用Pro/E软件建立了制动系统实际尺寸三维建模,利用有限元前处理软件Hypermesh对其进行网格划分,并运用非线性有限元分析软件ABAQUS建立了制动器的热-机耦合分析模型。
　　(3)根据海洋钻井绞车的紧急制动工况和连续制动工况各自的特点,运用ABAQUS软件,分别对两种工况进行了数值模拟,得到了制动盘温度场和应力场的分布特性和变化规律,并通过改变工况参数和材料参数等方式,研究了温度场和应力场的影响因素。
　　(4)基于制动过程的热-机耦合分析结果,分析了水冷式制动盘的失效机理,并确定了制动盘的危险部位和载荷谱,应用局部应力应变法建立制动盘热疲劳寿命预测模型,分析了不同制动形式下制动盘热疲劳寿命和影响因素。
　　研究表明:在制动过程中,制动盘的温度场与应力场是相互耦合的,较大的制动盘比热容、导热系数大和较低的热膨胀系数、弹性模量有利于降低制动盘温度极值和应力极值;冷却水速度越大对制动盘的冷却效果越明显,但当速度达到一定数值时,冷却效果就不再非常明显;在节点的三向应力中,周向应力是产生表面裂纹的主要分量;下钻速度是影响制动盘热疲劳寿命的主要因素。

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Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 国内外研究综述

1.3 本文主要研究内容及结构框架

1.4 本章小结

第2章 热-机耦合分析的理论基础

2.1 摩擦制动机理

2.2 热分析基本理论

2.3 瞬态热传导问题的有限元法

2.4 热-机耦合有限元基本理论

2.5 本章小结

第3章 水冷盘式制动器热-机耦合模型的建立

3.1 钻井绞车制动装置及制动工况

3.2 水冷盘式制动器理论模型

3.3 水冷盘式制动器有限元模型

3.4 本章小结

第4章 水冷式制动盘数值模拟分析

4.1 紧急制动工况下制动盘的温度场分布

4.2 紧急制动工况下制动盘的应力场分布

4.3 连续制动工况下制动盘的温度场分布

4.4 连续制动工况下制动盘的应力场分布

4.5 本章小结

第5章 水冷式制动盘失效机理分析与寿命预测

5.1 水冷式制动盘失效机理分析

5.2 水冷式制动盘热疲劳寿命预测

5.3 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的研究成果及参与的科研项目

致谢