CN106951647B - 锥螺纹接头的六面体网格划分法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种锥螺纹接头的六面体网格划分法，通过有限元软件中对已配合好的公母锥螺纹进行垂直于轴线方向及沿轴线方向的切分；通过创建的参考面与模型的表面生成交线作为划分网格的边界条件；依据网格疏密，合理构建有效螺纹段切分处端面的平面网格形状；通过建立节点使公母接头配合面处的网格节点对齐；提取前一螺纹已画好六面体网格的表面作为画后一螺纹网格的边界条件，以保证网格的连续性；对非螺纹处的网格，适当加大网格尺寸。本发明能大大改善锥螺纹接头网格质量，提高仿真精度和效率，并可推广用于任意类型螺纹的六面体网格划分。

Description

锥螺纹接头的六面体网格划分法
技术领域
本发明涉及锥螺纹接头的技术领域，尤其涉及一种能精确分析钻杆在受外力作用下螺纹接头的应力分布情况的锥螺纹接头的六面体网格划分法。
背景技术
锥螺纹接头由于其良好的密封性在钻探行业中被广泛采用，在钻探过程中，钻杆在摩擦力、压力、离心力、重力、扭矩、弯矩等力的作用下，极易发生损坏，影响工程进度。因此设计出具有良好机械性能的螺纹接头将大大提高钻杆的机械性能，减少损失。现阶段，钻杆接头的台架试验机只能加载弯矩和扭矩，不能完全模仿真实的钻探工况，因此利用有限元仿真技术对螺纹进行齿应力分析、疲劳分析、优化螺纹及接头结构已经被采用。
对于有限元仿真分析，网格的质量直接决定了计算的精度和效率。现阶段，螺纹分析多采用轴对称二维分析或者画四面体网格进行分析，轴对称二维分析无法考虑三维模型的几何效应，四面体网格分析无法保证精度和运算效率。对于螺纹接头而言，由于其接触面以及工作环境复杂，高精度的分析结果才能对其设计有指导意义，采用在运算精度和效率方面优势明显的六面体网格对螺纹进行仿真分析就显得十分必要，而配合面网格节点对齐的六面体网格能得到更加精确的结果。西安交通大学提出的《一种可实现六面体网格划分的螺栓有限元参数化建模方法》只能用特定的方法对圆柱形螺纹进行建模和画网格，无法应用于锥螺纹的网格构建，也无法画出公母接头网格节点对齐的六面体网格，且方法极为复杂，前处理工作量巨大。
为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，提出一种工作量小，适用于锥螺纹接头的六面体网格划分方法意义重大，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锥螺纹接头的六面体网格划分法，改善锥螺纹网格划分质量，减少技术人员工作量，提高仿真计算精度和效率。
为解决上述问题，本发明公开了一种锥螺纹接头的六面体网格划分法，其特征在于包含以下步骤：
步骤1、对已装配好的锥螺纹接头进行垂直于轴线及沿轴线的切分；
步骤2、取切分后锥螺纹接头的某一有效四分之一螺纹，在有效螺纹端面处平行于轴线的几何边界线上建立等距节点，过节点建立垂直于轴线的参考面，用参考面和螺纹的表面创建交线；
步骤3、过轴线建立等角度参考面；
步骤4、用步骤2建立的交线以及四分之一有效螺纹自身的边界线和步骤3建立的参考面创建节点；
步骤5、在锥螺纹接头的有效四分之一螺纹两个端面上创建平面四边形网格，网格以交线为边界条件；
步骤6、以步骤2建立的交线、步骤4建立的节点、步骤5创建的网格以及有效四分之一螺纹本身的几何关系为边界条件，画出六面体网格网格单元；
步骤7、取切分后与步骤3选取螺纹相配合的锥螺纹接头的四分之一螺纹，重复用步骤2～步骤6的方法画出六面体网格；
步骤8、重复用步骤2～步骤7的方法画出另外的锥螺纹接头及其相配合的锥螺纹接头的四分之三螺纹的六面体网格；
步骤9、将已画好的六面体网格的表面作为相邻两段螺纹的边界条件；
步骤10、重复步骤2～步骤9，画出其余螺纹段及接头其他部位的六面体网格网格单元。
其中：在步骤1中，利用有限元软件对已装配好的锥螺纹接头进行切分，具体步骤为：先在有效螺纹处按照螺距进行垂直于轴线的切分，非螺纹处按结构进行划分，再沿轴线上用两个互相垂直的面进行切分。
其中：步骤3的所述螺纹表面指和建立的参考面相交的面。
其中：步骤4中锥螺纹接头在接触面上的交点重合，因此以交点为边界条件的网格节点也重合。
其中：步骤10所画公母接头网格在接触面上的节点对齐。
通过上述结构可知，本发明的锥螺纹接头的六面体网格划分法具有如下效果：
1、实现快速的划分，极具实用性；
2、大大改善锥螺纹接头网格质量，提高仿真精度和效率；
3、可推广用于任意类型螺纹的六面体网格划分，适用更加广泛。
本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。
附图说明
图1A至图1C显示了对已装配好的锥螺纹接头进行垂直于轴线及沿轴线的切分；
图2A至图2D显示了建立交线的步骤；
图3A至图3C显示了建立节点的步骤；
图4A至图4B显示了在四分之一有效螺纹两个端面上创建平面网格；
图5显示了公接头四分之一有效螺纹六面体网格；
图6显示了母接头四分之一有效螺纹六面体网格；
图7显示了公母接头四分之一螺纹六面体网格；
图8A至图8C显示了公母接头一个有效螺纹六面体网格；
图9显示了提取前一有效螺纹六面体网格表面作为绘制下一个有效螺纹的边界条件；
图10显示了完整公接头六面体网格；
图11显示了完整母接头六面体网格；
图12显示了公母接头配合体六面体网格剖视图；
图13A至图13B显示了公母接头配合体六面体网格的放大示意图。
具体实施方式
参见图1至图12，显示了本发明的锥螺纹接头的六面体网格划分法。
所述锥螺纹接头的六面体网格划分法可包含以下步骤：
1)对已装配好的锥螺纹接头进行垂直于轴线及沿轴线的切分，优选的是，所述锥螺纹接头可为公接头或母接头，在螺纹配合段处垂直于轴线的切分以一个螺距为间隔进行，沿轴线的切分将该锥螺纹接头呈等角度分为四份；
2)取切分后锥螺纹接头(公接头或母接头)的某一有效四分之一螺纹，在有效螺纹端面处平行于轴线的几何边界线上建立等距节点，过节点建立垂直于轴线的参考面，用参考面和螺纹的表面创建交线；
3)过轴线建立等角度参考面，参考面的多少取决于网格的数量；
4)用步骤2)建立的交线以及四分之一有效螺纹自身的边界线和步骤3)建立的参考面创建节点；锥螺纹接头(公接头或母接头)在接触面上的交点重合，因此以交点为边界条件的网格节点也重合；
5)在锥螺纹接头(公接头或母接头)的有效四分之一螺纹两个端面上创建平面四边形网格，网格以交线为边界条件；
6)以步骤2)建立的交线、步骤4)建立的节点、步骤5)创建的网格以及有效四分之一螺纹本身的几何关系为边界条件，画出六面体网格网格单元。
7)取切分后与步骤3)选取螺纹相配合的锥螺纹接头(母接头或公接头)的四分之一螺纹，重复用步骤2)～步骤6)的方法画出六面体网格；
8)重复用步骤2)～步骤7)的方法画出另外的锥螺纹接头(公接头或母接头)及其相配合的锥螺纹接头(母接头或公接头)的四分之三螺纹的六面体网格；
9)将已画好的六面体网格的表面作为相邻两段螺纹(接头体)的边界条件；
10)重复步骤2)～步骤9)，画出其余螺纹段及接头其他部位的六面体网格网格单元。
下面以Φ50钻杆接头为例，结合附图对本发明进行详细说明。
步骤1、对锥螺纹接头进行垂直于轴线及沿轴线的切分。切分过程是对已配合好的公接头和母接头同时进行，在有效螺纹段，以一个螺距为间隔进行切分，在非螺纹段，按照结构进行合理切分。图1A至图1C所示为切分后的效果。
步骤2、取切分后公接头(或母接头)的某一有效四分之一螺纹，在有效螺纹端面处平行于轴线的几何边界线上建立等距节点，过节点建立垂直于轴线的参考面，用参考面和螺纹的表面创建交线，交线作为画六面体网格的边界条件之一。图2A至图2D所示为创建交线过程。
步骤3、过轴线建立等角度参考面，参考面的个数取决于网格的大小，将参考面与交线的交点作为网格的节点。图3A至图3C所示为节点的创建过程。
步骤4、在公接头(或母接头)有效四分之一螺纹两个端面上创建平面四边形网格。图4A至图4B所示为平面四边形网格创建过程。
步骤5、以交线、节点、平面四边形网格、有效四分之一螺纹本身的几何边界为边界条件，画出六面体网格网格单元。图5所示为所画六面体网格。
步骤6、取与选取四分之一螺纹相配合的母接头(或公接头)四分之一螺纹，以交线、节点、平面四边形网格、有效四分之一螺纹本身的几何边界为边界条件，画出六面体网格网格单元。图6所示为所画六面体网格。
步骤7、确定如图7所示的公母接头网格相配合状态。
步骤8、重复以上步骤，画出完整一个有效螺纹段的六面体网格。图8A至图8C所示为一个有效螺纹段的六面体网格。
步骤9、提取已画好的有效螺纹段六面体网格的表面作为相邻两段螺纹(接头体)的边界条件。图9所示为提取已画好的有效螺纹段六面体网格的表面。
步骤10、重复以上步骤，画出其余螺纹段及接头其他部位的六面体网格网格单元。图10、图11、图12、图13A至图13B为公母接头的六面体网格。
其中，在步骤1中，利用有限元软件对已装配好的锥螺纹接头进行切分，具体步骤为：先在有效螺纹处按照螺距进行垂直于轴线的切分，非螺纹处按结构进行划分，再沿轴线上用两个互相垂直的面进行切分。
其中，步骤3的所述螺纹表面指和建立的参考面相交的面。
其中，步骤10所画公母接头网格在接触面上的节点对齐。
由此，本发明通过有限元软件中对已配合好的公母锥螺纹进行垂直于轴线方向及沿轴线方向的切分；通过创建的参考面与模型的表面生成交线作为划分网格的边界条件；依据网格疏密，合理构建有效螺纹段切分处端面的平面网格形状；通过建立节点使公母接头配合面处的网格节点对齐；提取前一螺纹已画好六面体网格的表面作为画后一螺纹网格的边界条件，以保证网格的连续性；对非螺纹处的网格，适当加大网格尺寸。本发明能大大改善锥螺纹接头网格质量，提高仿真精度和效率，并可推广用于任意类型螺纹的六面体网格划分。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (5)

1.一种锥螺纹接头的六面体网格划分法，其特征在于包含以下步骤：
步骤1、对已装配好的锥螺纹接头进行垂直于轴线及沿轴线的切分；
步骤2、取切分后锥螺纹接头的某一有效四分之一螺纹，在有效螺纹端面处平行于轴线的几何边界线上建立等距节点，过节点建立垂直于轴线的参考面，用参考面和螺纹的表面创建交线；
步骤3、过轴线建立等角度参考面；
步骤4、用步骤2建立的交线以及四分之一有效螺纹自身的边界线和步骤3建立的参考面创建节点；
步骤5、在锥螺纹接头的有效四分之一螺纹两个端面上创建平面四边形网格，网格以交线为边界条件；
步骤6、以步骤2建立的交线、步骤4建立的节点、步骤5创建的网格以及有效四分之一螺纹本身的几何关系为边界条件，画出六面体网格网格单元；
步骤7、取切分后与步骤3选取螺纹相配合的锥螺纹接头的四分之一螺纹，重复用步骤2～步骤6的方法画出六面体网格；
步骤8、重复用步骤2～步骤7的方法画出另外的锥螺纹接头及其相配合的锥螺纹接头的四分之三螺纹的六面体网格；
步骤9、将已画好的六面体网格的表面作为相邻两段螺纹的边界条件；
步骤10、重复步骤2～步骤9，画出其余螺纹段及接头其他部位的六面体网格网格单元。
2.如权利要求1所述的六面体网格划分法，其特征在于：在步骤1中，利用有限元软件对已装配好的锥螺纹接头进行切分，具体步骤为：先在有效螺纹处按照螺距进行垂直于轴线的切分，非螺纹处按结构进行划分，再沿轴线上用两个互相垂直的面进行切分。
3.如权利要求1所述的六面体网格划分法，其特征在于：步骤3的所述螺纹表面指和建立的参考面相交的面。
4.如权利要求1所述的六面体网格划分法，其特征在于：步骤4中锥螺纹接头在接触面上的交点重合，因此以交点为边界条件的网格节点也重合。
5.如权利要求1所述的六面体网格划分法，其特征在于：步骤10所画公母接头网格在接触面上的节点对齐。
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