【摘 要】有限元分析方法作为一种最有效的数值方法，可对石油机械零部件进行各类型分析，为石油机械零部件的结构设计、研究与优化提供了重要理论依据。简要介绍了有限元分析在石油机械领域的应用，叙述了石油机械有限元分析的发展趋势。由此得出结论：有限元法为石油机械产品的研发、创新节约了大量人力物力，为设计计算提供了更加准确的计算。现在和将来有限元分析对石油机械产品的创新与发展仍具有重要的推动作用。
【关键词】有限元分析；石油机械；发展趋势
0 引言
石油机械产品在中国经历了从无到有，从引进到自主研发创新的过程[1]。力学分析作为有效的结构受力情况及机械效率分析方法，随着石油机械的不断发展，开始广泛应用于石油机械产品的设计和研究等工作中。然而，钻采机械设备均为大型机械，在工作中承受较大力的作用，采用传统的解析方法需要对石油构件进行大幅度简化处理，导致误差较大，得不到满意的结果[2]。因此，对于这些边界条件及结构形状不规则的复杂问题，采用有限元法进行分析，分析结果才更为有效和精确。
1 石油机械有限元分析的现状与发展趋势
目前，有限元分析方法作为一种最有效的数值方法，在石油机械领域得到了广泛、深入的应用。采用有限元方法对石油机械设备进行强度、刚度、动力学分析和稳定性分析，包括弹性、塑性和各类非线性分析，都取得了较好的效果，为石油机械设计的完善与优化提供了可靠的理论依据，推动了现代设计技术在石油机械领域的应用[2]。在钻井设备方面，有限元法不仅广泛应用于大钩、井架、底架、钻井泵等常规钻井机零部件，在空气钻井等特殊钻井技术上，有限元方法也有广泛应用。在采油设备领域，对于采油螺杆泵、采油井口装置、抽油机四连杆机构、抽油机井架等的有限元分析均取得了一定成果。此外，有限元方法开始应用于采油平台抗震分析，找出采油平台抗震的薄弱环节，效率高且节省资金。
最初石油机械零件的有限元分析多局限于平面模型，只有少部分的研究是基于立体模型。实践证明选用立体模型能更真实地模拟零件的结构和工况，能够保证计算结果的正确性及可靠性[3]。这在连杆类零件及螺杆泵有限元计算中得到有力证实。因此，发展至今，有限元在石油机械上的应用已由二维的问题扩展到三维问题、板壳问题，为石油钻采机械设计的现代化提供了可靠的理论依据。
在石油机械零部件有限元分析中，静力学分析作为有限元分析最基本最常用的分析类型，通常用在当作用在零部件上的载荷不随时间变化或随时间变化极其缓慢的情况下。但是，多数石油钻采设备具有复杂的载荷工况，不但要考虑静强度准则，还应考虑其动态性能。钻机底架受到静态载荷和动态载荷作用，需要对底架进行静动态响应分析，分析结果可为底架的结构改进及优化设计提供理论依据。此外，采用有限元模态计算中的几种提取模态的方法，对底架模型进行理论模态分析，得出底架的动态特性，为进一步改进设计提供重要依据[4]。以前对抽油机四连杆机构的运动、动力及应力分析，忽略了弹性变形的影响，认为每个杆的运动是刚性运动，因为考虑弹性变形就意味着更复杂的计算。采用有限元法后，可用有限元法建立抽油机的运动、动力方程，方程加入了弹性变形的影响，因此进行的抽油机运动、动力学分析更接近实际工况，能更好地反映设计工作中面临的问题[5]。使用有限元方法进行动态分析，这对于全面了解研究对象的动刚度分布，发现薄弱环节，延长使用寿命是非常有益的。
在有限元中，非线性包括状态非线性，几何非线性以及材料非线性。接触分析用于分析两个零部件发生接触时的接触面状态和法向力等，是一种状态非线性分析。由于石油机械设备中结构与结构之间力的传递都是通过接触来实现，所以接触分析被较多地应用在石油机械结构的有限元分析中。对钻井大钩，以弹性体接触理论为基础，需要对钩体进行接触有限元分析。结果是用接触分析能更准确地反映钩体的应力和应变，有利于对钩体结构改进和优化设计。此外，应用有限元法还能够在虚拟条件下预先对最大工作载荷和最大实验载荷条件下的强度进行校核[6]。接触问题时常还伴随有几何非线性、材料非线性等问题。例如采用弹塑性接触有限元混合法对石油钻杆连接螺纹进行应力应变分析，求联接状态下由预紧力及轴力和内压引起的螺纹联接部位的位移场、应力场，分析其承载性能及密封性能[7]。
钻井马达和抽油机电机为石油钻采的实现提供了重要的动力源。电机温度分布不均匀将会导致局部温度过高，电机安全运行无法得到保障；而且在瞬态过程中，电机的端部绕组会被巨大的电磁力所损坏。为了对这些不良现象进行预测和防止，需要进行电磁场的计算[8]。近年来，有限元法在石油机械装备上的应用从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学等连续介质领域，成为计算电磁场的一种有力工具，为钻井马达及抽油机电机的安全运行提供了有力保证。
在2000年以前，有限元建模只能对单个物理场进行模拟。现在，随着科学技术的发展，已经产生了更简洁快速的算法，发展出了更强劲的硬件配置，使得对多物理场的有限元模拟成为可能。在石油钻采现场，常存在多物理场的影响，需要对多物理场进行有限元模拟。例如当气流流过1个很高井架，井架会发生变形，变形又反过来影响气流的流动，这就需要用到结构-流体耦合分析。
2 结论
有限元法在石油钻采机械上的应用，从最初应用在求解结构的平面问题上，发展至今，已由二维问题扩展到三维问题、板壳问题，由静力学问题扩展到动力学问题；由线性问题扩展到非线性问题；由弹性材料扩展到弹塑性、塑性、粘弹性和复合材料；由单一物理场的求解扩展到多物理场的耦合。其应用的深度和广度都得到了极大的发展。有限元法为石油机械产品的研发与创新节约了大量的人力物力，也为设计计算提供了更加准确的计算。随着有限元分析的发展，现在和将来有限元分析对石油机械产品的创新与发展仍具有重要的推动作用。
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[责任编辑：周娜]
作者简介：易文君（1989—），女，湖北襄阳人，长江大学机械工程学院硕士研究生，研究方向为机械结构与强度。