錐螺紋接頭的六面體網格劃分法的製作方法

2023-04-26 13:38:16

本發明涉及錐螺紋接頭的技術領域，尤其涉及一種能精確分析鑽杆在受外力作用下螺紋接頭的應力分布情況的錐螺紋接頭的六面體網格劃分法。

背景技術：

錐螺紋接頭由於其良好的密封性在鑽探行業中被廣泛採用，在鑽探過程中，鑽杆在摩擦力、壓力、離心力、重力、扭矩、彎矩等力的作用下，極易發生損壞，影響工程進度。因此設計出具有良好機械性能的螺紋接頭將大大提高鑽杆的機械性能，減少損失。現階段，鑽杆接頭的臺架試驗機只能加載彎矩和扭矩，不能完全模仿真實的鑽探工況，因此利用有限元仿真技術對螺紋進行齒應力分析、疲勞分析、優化螺紋及接頭結構已經被採用。

對於有限元仿真分析，網格的質量直接決定了計算的精度和效率。現階段，螺紋分析多採用軸對稱二維分析或者畫四面體網格進行分析，軸對稱二維分析無法考慮三維模型的幾何效應，四面體網格分析無法保證精度和運算效率。對於螺紋接頭而言，由於其接觸面以及工作環境複雜，高精度的分析結果才能對其設計有指導意義，採用在運算精度和效率方面優勢明顯的六面體網格對螺紋進行仿真分析就顯得十分必要，而配合面網格節點對齊的六面體網格能得到更加精確的結果。西安交通大學提出的《一種可實現六面體網格劃分的螺栓有限元參數化建模方法》只能用特定的方法對圓柱形螺紋進行建模和畫網格，無法應用於錐螺紋的網格構建，也無法畫出公母接頭網格節點對齊的六面體網格，且方法極為複雜，前處理工作量巨大。

為此，本發明的設計者有鑑於上述缺陷，通過潛心研究和設計，綜合長期多年從事相關產業的經驗和成果，提出一種工作量小，適用於錐螺紋接頭的六面體網格劃分方法意義重大，以克服上述缺陷。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種錐螺紋接頭的六面體網格劃分法，改善錐螺紋網格劃分質量，減少技術人員工作量，提高仿真計算精度和效率。

為解決上述問題，本發明公開了一種錐螺紋接頭的六面體網格劃分法，其特徵在於包含以下步驟：

步驟1、對已裝配好的錐螺紋接頭進行垂直於軸線及沿軸線的切分；

步驟2、取切分後錐螺紋接頭的某一有效四分之一螺紋，在有效螺紋端面處平行於軸線的幾何邊界線上建立等距節點，過節點建立垂直於軸線的參考面，用參考面和螺紋的表面創建交線；

步驟3、過軸線建立等角度參考面；

步驟4、用步驟2建立的交線以及四分之一有效螺紋自身的邊界線和步驟3建立的參考面創建節點；

步驟5、在錐螺紋接頭的有效四分之一螺紋兩個端面上創建平面四邊形網格，網格以交線為邊界條件；

步驟6、以步驟2建立的交線、步驟4建立的節點、步驟5創建的網格以及有效四分之一螺紋本身的幾何關係為邊界條件，畫出六面體網格網格單元；

步驟7、取切分後與步驟3選取螺紋相配合的錐螺紋接頭的四分之一螺紋，重複用步驟2～步驟6的方法畫出六面體網格；

步驟8、重複用步驟2～步驟7的方法畫出另外的錐螺紋接頭及其相配合的錐螺紋接頭的四分之三螺紋的六面體網格；

步驟9、將已畫好的六面體網格的表面作為相鄰兩段螺紋的邊界條件；

步驟10、重複步驟2～步驟9，畫出其餘螺紋段及接頭其他部位的六面體網格網格單元。

其中：在步驟1中，利用有限元軟體對已裝配好的錐螺紋接頭進行切分，具體步驟為：先在有效螺紋處按照螺距進行垂直於軸線的切分，非螺紋處按結構進行劃分，再沿軸線上用兩個互相垂直的面進行切分。

其中：步驟3的所述螺紋表面指和建立的參考面相交的面。

其中：步驟4中錐螺紋接頭在接觸面上的交點重合，因此以交點為邊界條件的網格節點也重合。

其中：步驟10所畫公母接頭網格在接觸面上的節點對齊。

通過上述結構可知，本發明的錐螺紋接頭的六面體網格劃分法具有如下效果：

1、實現快速的劃分，極具實用性；

2、大大改善錐螺紋接頭網格質量，提高仿真精度和效率；

3、可推廣用於任意類型螺紋的六面體網格劃分，適用更加廣泛。

本發明的詳細內容可通過後述的說明及所附圖而得到。

附圖說明

圖1a至圖1c顯示了對已裝配好的錐螺紋接頭進行垂直於軸線及沿軸線的切分；

圖2a至圖2d顯示了建立交線的步驟；

圖3a至圖3c顯示了建立節點的步驟；

圖4a至圖4b顯示了在四分之一有效螺紋兩個端面上創建平面網格；

圖5顯示了公接頭四分之一有效螺紋六面體網格；

圖6顯示了母接頭四分之一有效螺紋六面體網格；

圖7顯示了公母接頭四分之一螺紋六面體網格；

圖8a至圖8c顯示了公母接頭一個有效螺紋六面體網格；

圖9顯示了提取前一有效螺紋六面體網格表面作為繪製下一個有效螺紋的邊界條件；

圖10顯示了完整公接頭六面體網格；

圖11顯示了完整母接頭六面體網格；

圖12顯示了公母接頭配合體六面體網格剖視圖；

圖13a至圖13b顯示了公母接頭配合體六面體網格的放大示意圖。

具體實施方式

參見圖1至圖12，顯示了本發明的錐螺紋接頭的六面體網格劃分法。

所述錐螺紋接頭的六面體網格劃分法可包含以下步驟：

1)對已裝配好的錐螺紋接頭進行垂直於軸線及沿軸線的切分，優選的是，所述錐螺紋接頭可為公接頭或母接頭，在螺紋配合段處垂直於軸線的切分以一個螺距為間隔進行，沿軸線的切分將該錐螺紋接頭呈等角度分為四份；

2)取切分後錐螺紋接頭(公接頭或母接頭)的某一有效四分之一螺紋，在有效螺紋端面處平行於軸線的幾何邊界線上建立等距節點，過節點建立垂直於軸線的參考面，用參考面和螺紋的表面創建交線；

3)過軸線建立等角度參考面，參考面的多少取決於網格的數量；

4)用步驟2)建立的交線以及四分之一有效螺紋自身的邊界線和步驟3)建立的參考面創建節點；錐螺紋接頭(公接頭或母接頭)在接觸面上的交點重合，因此以交點為邊界條件的網格節點也重合；

5)在錐螺紋接頭(公接頭或母接頭)的有效四分之一螺紋兩個端面上創建平面四邊形網格，網格以交線為邊界條件；

6)以步驟2)建立的交線、步驟4)建立的節點、步驟5)創建的網格以及有效四分之一螺紋本身的幾何關係為邊界條件，畫出六面體網格網格單元。

7)取切分後與步驟3)選取螺紋相配合的錐螺紋接頭(母接頭或公接頭)的四分之一螺紋，重複用步驟2)～步驟6)的方法畫出六面體網格；

8)重複用步驟2)～步驟7)的方法畫出另外的錐螺紋接頭(公接頭或母接頭)及其相配合的錐螺紋接頭(母接頭或公接頭)的四分之三螺紋的六面體網格；

9)將已畫好的六面體網格的表面作為相鄰兩段螺紋(接頭體)的邊界條件；

10)重複步驟2)～步驟9)，畫出其餘螺紋段及接頭其他部位的六面體網格網格單元。

下面以φ50鑽杆接頭為例，結合附圖對本發明進行詳細說明。

步驟1、對錐螺紋接頭進行垂直於軸線及沿軸線的切分。切分過程是對已配合好的公接頭和母接頭同時進行，在有效螺紋段，以一個螺距為間隔進行切分，在非螺紋段，按照結構進行合理切分。圖1a至圖1c所示為切分後的效果。

步驟2、取切分後公接頭(或母接頭)的某一有效四分之一螺紋，在有效螺紋端面處平行於軸線的幾何邊界線上建立等距節點，過節點建立垂直於軸線的參考面，用參考面和螺紋的表面創建交線，交線作為畫六面體網格的邊界條件之一。圖2a至圖2d所示為創建交線過程。

步驟3、過軸線建立等角度參考面，參考面的個數取決於網格的大小，將參考面與交線的交點作為網格的節點。圖3a至圖3c所示為節點的創建過程。

步驟4、在公接頭(或母接頭)有效四分之一螺紋兩個端面上創建平面四邊形網格。圖4a至圖4b所示為平面四邊形網格創建過程。

步驟5、以交線、節點、平面四邊形網格、有效四分之一螺紋本身的幾何邊界為邊界條件，畫出六面體網格網格單元。圖5所示為所畫六面體網格。

步驟6、取與選取四分之一螺紋相配合的母接頭(或公接頭)四分之一螺紋，以交線、節點、平面四邊形網格、有效四分之一螺紋本身的幾何邊界為邊界條件，畫出六面體網格網格單元。圖6所示為所畫六面體網格。

步驟7、確定如圖7所示的公母接頭網格相配合狀態。

步驟8、重複以上步驟，畫出完整一個有效螺紋段的六面體網格。圖8a至圖8c所示為一個有效螺紋段的六面體網格。

步驟9、提取已畫好的有效螺紋段六面體網格的表面作為相鄰兩段螺紋(接頭體)的邊界條件。圖9所示為提取已畫好的有效螺紋段六面體網格的表面。

步驟10、重複以上步驟，畫出其餘螺紋段及接頭其他部位的六面體網格網格單元。圖10、圖11、圖12、圖13a至圖13b為完整公母接頭的六面體網格。

其中，在步驟1中，利用有限元軟體對已裝配好的錐螺紋接頭進行切分，具體步驟為：先在有效螺紋處按照螺距進行垂直於軸線的切分，非螺紋處按結構進行劃分，再沿軸線上用兩個互相垂直的面進行切分。

其中，步驟3的所述螺紋表面指和建立的參考面相交的面。

其中，步驟10所畫公母接頭網格在接觸面上的節點對齊。

由此，本發明通過有限元軟體中對已配合好的公母錐螺紋進行垂直於軸線方向及沿軸線方向的切分；通過創建的參考面與模型的表面生成交線作為劃分網格的邊界條件；依據網格疏密，合理構建有效螺紋段切分處端面的平面網格形狀；通過建立節點使公母接頭配合面處的網格節點對齊；提取前一螺紋已畫好六面體網格的表面作為畫後一螺紋網格的邊界條件，以保證網格的連續性；對非螺紋處的網格，適當加大網格尺寸。本發明能大大改善錐螺紋接頭網格質量，提高仿真精度和效率，並可推廣用於任意類型螺紋的六面體網格劃分。

顯而易見的是，以上的描述和記載僅僅是舉例而不是為了限制本發明的公開內容、應用或使用。雖然已經在實施例中描述過並且在附圖中描述了實施例，但本發明不限制由附圖示例和在實施例中描述的作為目前認為的最佳模式以實施本發明的教導的特定例子，本發明的範圍將包括落入前面的說明書和所附的權利要求的任何實施例。