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石油石化行业简  

近些年，随着软、硬件环境的改善，有限元方法逐步引入压力容器行业，并取得的很多成果。在接管、球罐、换热器、塔器、加氢反应器等设备的设计中，起到了关键性的作用。但是，由于分析软件和工具的限制，压力容器行业的有限元应用还局限于线弹性分析，并没有发挥有限元的强大功能。目前应用，只是集中在有限元的一些基本功能。作为非线性有限元分析软件的先驱SIMULIA，除可以完成接管、球罐等设备基本的分析功能之外，还可以求解更广泛范围的非线性问题，为石油化工行业进一步提高有限元分析的能力提供了完善的分析平台。高级分析技术将会越来越广泛地应用到压力容器领域。做为引领高级有限元分析技术的ABAQUS，是最有力和最有效分析工具，它将进一步提高石化行业有限元分析的水平，并将有限元分析手段更广泛地应用到各个工程项目当中去。在石油化工行业，线性分析已经处理得相对完善。如果需要进一步提高有限元应用水平，必须在分析中引入非线性高级分析功能。从有限元软件在石油化工行业的广义应用中可以看出，有限元分析涉及石油化工行业的所有领域，具体包括在储运设备与储运工程中的应用、在钻井设备与钻井工程中的应用、在采油设备与采油工程中的应用等。

螺杆泵的分析案例

螺杆泵是一种旋转容积式泵，于20世纪20年代由法国人Rene Moinea。发明，在其发展过程中有过不同的名称，如:“偏心螺杆泵”(eccentric D screwpump“旋转潜油莫尔泵”(Rotary submersible Moineau pump)等，目前英文的标准名称是Progressing Cavity Pump，缩写为“PCP"，中文直译为“渐进容积式泵”，习惯上称为“螺杆泵”。

螺杆泵的结构和分类。螺杆泵的结构包括泵壳（定子）、螺杆（转子）、轴承、轴封等；通常根据其工作原理分为：单螺杆泵、双螺杆泵、三螺杆泵。

螺杆泵是利用螺杆的回转来吸排液体的。如图表示三螺杆泵的剖视图。图中，中间螺杆为主动螺杆，由原动机带动回转，两边的螺杆为从动螺杆，随主动螺杆作反向旋转。主、从动螺杆的螺纹均为双头螺纹。由于各螺杆的相互啮合以及螺杆与衬筒内壁的紧密配合，在泵的吸入口和排出口之间，就会被分隔成一个或多个密封空间。随着螺杆的转动和啮合，这些密封空间在泵的吸入端不断形成，将吸入室中的液体封入其中，并自吸入室沿螺杆轴向连续地推移至排出端，将封闭在各空间中的液体不断排出，犹如一螺母在螺纹回转时被不断向前推进的情形那样，这就是螺杆泵的基本工作原理。

案例：采油设备与采油工程中的应用案例与经验

（一）转子与定子的接触非线性分析

参考GLB800常规螺杆泵的规格, 计算模型中有关的几何参数和物理参数选取如下: 缸体外套的外径为114 mm , 壁厚7 mm；材料模型按线弹性处理,弹性模量取21 0G P a ,泊松比取0.3 。橡胶衬垫的外径为100mm ；内腔轮廓尺寸取决于转子半径R 和偏心距e , 这里取R = 24 mm, e = 8.5mm; 橡胶材料的本构关系采用非线性本构模型。
三维模型中定子的长度取40 m m，该模型共有64 0 个线性单元。平面应变模型的有限元网格如图所示, 共有单元1020 个。

工作压力下定子的应力、应变分布：在均布内压作用下, 橡胶衬垫中的剪切变形不算显著, 最大值为1.73%,对橡胶而言,承受这样的变形是没间题的;当有0.5MPa 压差时, 剪切变形显著增大,最大值可达12 . 3 9%,位于0 和D 处,也就是说在高压和低压作用面的交界处。

（二）转子与定子之间的运动学分析和动力学分析

螺杆泵在运行中存在着高度非线性，相应的运动学和动力学的数值模型主要考虑如下因素:第一，定子材料由橡胶组成，它是一种高度非线性的超弹性材料，其力学性能的表征比较困难，因此，在螺杆泵的动力学研究中，定子橡胶材料力学行为的描述是一个重点和难点;第二，转子运动过程中，不断地与定子内不同部位接触，不仅边界随转子运动而改变，而且相互之间接触也会产生作用，这种边界非线性对求解问题带来了很大的难度。

ABAQUS提供了多种超弹性材料的本构模型，本构模型的选择必须基于对材料的力学特征深入了解，本构方程的建立则需要配套的试验数据作支持。

GLB500型号单螺杆泵系统，其主要参数有：转子直径D为44mm,转子偏心e为7mm，定子导程t为404mm，定子外半径为57mm，几何模型如图所示。模型中把转子视为刚体，定子橡胶性质采用Yeoh材料模型描述，本构方程中的参数值为: C10=931555,C20=-685895,C30=502685

转子运动过程中，两者之间的相互作用发生在过盈接触的位置。图 (a)和(b)分别给出了时刻t=0.1 s和t=0.2s时转子的位置和定子横截面上的应力分布(应变的分布规律相同)。可以看出，定转子接触密封线上的应力最大，符合从力学意义上分析的结果。

（三）螺杆泵的温度场与热应力分析

螺杆泵定子材料有很多种类，具体的有丁睛橡胶、聚硫橡胶、氟橡胶等等。橡胶抗温胀性能是衡量橡胶定子特性的一个重要方面。目前定子广泛采用的是丁睛橡胶。丁睛橡胶有耐油性、耐磨性等突出优点，但是和所以橡胶一样，丁睛橡胶在温度升高时，定子橡胶也会发生膨胀，即所谓的橡胶温胀。

定子周围环境温度从20℃升高到50℃，结果显示其Mises应力和节点位移场如图所示。