[偏梯形螺纹的有限元分析] btc偏梯形螺纹

　　摘要 本文用有限元法建立API偏梯形螺纹的力学模型，模拟偏梯形螺纹在受扭和同时受扭与轴向拉力时的应力分布情况。 　　关键词 套管；偏梯形螺纹；应力 　　中图分类号TG85 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）35-0069-01
　　API螺纹主要包括圆螺纹和偏梯形螺纹，其中偏梯形螺纹又因其较好的连接强度得到更多的使用。同时现有的特殊扣产品中，有相当一部分是偏梯形螺纹的变形产品或者是在偏梯形螺纹的基础上通过增加前段密封形成的特殊螺纹，因此对偏梯形螺纹的研究有很重要的意义。
　　1 偏梯形螺纹有限元模型的建立
　　1.1 模型的简化
　　根据API 5B[1]的要求，选取139.7*9.17 P110 BC套管进行有限元建模。套管为外螺纹，接箍为中心对称的内螺纹，在有限元建模时接箍只取到中心面，套管长度3倍于管端到螺纹消失点的长度[2]，忽略螺纹升角，采取轴对称结构，同时假设接箍和套管的材料各向同性，选取材料的弹性模量E=205950MPa，泊松比=0.29，有限元模型如图1。
　　1.2 边界条件及扭矩的添加
　　由于接箍的中心对称，且在实际在承受轴向载荷时，接箍外扩，套管内缩，因此对接箍中心面进行轴向约束，在套管远端添加轴向拉力。
　　根据API 5B对于偏梯形螺纹尺寸和上扣要求，在手紧后接箍与套管间无过盈，机紧后在套管与接箍间产生过盈，因此通过接箍与套管间的过盈量来模拟上扣扭矩。上扣扭矩主要由摩擦力产生的扭矩决定，对于摩擦力产生的扭矩可以通过对每个接触面扭矩求和的形式求出。在轴向力与上扣扭矩的共同作用下，齿顶和齿底过盈配合，承载面成为密封面。
　　2 结果分析
　　2.1 上扣扭矩单独作用
　　从应力图，可以看出在上扣扭矩作用下，接触应力主要发生在导向面一侧；从变形图可以看出，套管和接箍在端部的变形最大。 图2是套管导向面应力图。从图中可以看到，在上扣力矩作用下，导向面应力呈马鞍面形分布，从第一牙开始递减，到第13牙处达到最小值，从第14牙开始接触应力开始增加。
　　应力呈这种分布趋势的原因有二：
　　1）在上扣的扭矩作用下，螺纹的导向面接触，管端相对壁薄，变形大，等效接触应力从第一牙向后递减；
　　2）5-1/2 in偏梯形螺纹的完整螺纹长度只有1.8410in，9个完整螺纹，从第10牙开始，导向面齿尖倒角逐渐减小，到第13牙齿尖减到最小，因此前13牙导向面的等效应力呈下降的趋势；从第14牙开始，导向面齿尖处倒角消失，接触应力升高，同时越向后螺纹的不完整程度越高，到第18牙处螺纹导向面达到最小值，具有最高的接触应力。
　　2.2 上扣扭矩与轴向拉力一起作用
　　对套管施加600kN的轴向拉力，考察螺纹在承受轴向拉力与扭矩共同作用下时的力学性能。图3是上扣扭矩和轴向拉力作用下的承载面应力图。
　　从图3可以看出，在前9牙承载面应力呈现下降的趋势，第10牙的接触应力开始出现激增后再次下降，至第18牙开始反弹。
　　出现这种应力分布的原因：
　　1）对于5-1/2”BC型螺纹，前9牙为完整螺纹，在轴向力和扭矩的共同作用下，第一牙的接触应力最大，然后依次降低；
　　2）第10牙为不完整螺纹的起始牙，其承载面处的圆角要比完整螺纹小，在这种结构的作用下，使得第10牙的承载面处接触应力变大，而第10牙以后各牙承载面圆角消失，为完全的承载面接触，接触应力降低。到第18牙处承载面达到最小，因而接触应力出现上升；
　　3） 结合应力图，可以看出最大应力发生在最后一牙的齿底处。这是因为套管的最后一牙最不完整，同时接箍的变形量没有套管的变形量大。
　　3 结论
　　通过对偏梯形螺纹在扭矩和扭矩与轴向拉力共同作用两种工况的研究发现：
　　最大应力主要集中在起始牙和末尾牙，因此套管螺纹设计中要重点考虑这几牙；
　　不完整螺纹的参与啮合虽然提高了承载能力，但也容易出现应力集中，设计中也要重点考虑。
　　
　　参考文献
　　[1]API SPEC STD 5B 套管、油管和管线管螺纹的加工、测量和检验规范[S].
　　[2]杨智春，李斌，史交齐.特殊扣套管接头的应力及密封特性分析[J].机械科学与技术，2004，23(7)：771～773，776
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