【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及钻铤锥螺纹设计领域，具体而言，涉及一种钻铤锥螺纹有限元模型构建与仿真优化方法。
技术介绍
1、钻铤是石油钻探过程中的关键工具，其螺纹连接的可靠性直接影响到钻探的安全性和效率。以前，钻铤螺纹的分析主要依赖于物理试验和二维模型仿真。物理试验成本高昂，周期长，且存在一定的破坏性，限制了试验的次数和样本量。而二维模型仿真虽然成本较低，但难以全面反映螺纹连接的三维力学行为，限制了仿真结果的准确性和实用性。目前，三维有限元仿真技术能够更精确地模拟钻铤螺纹的力学行为，但由于钻铤螺纹结构的复杂性，传统的三维建模方法面临着参数化程度低、建模效率低、难以实现自动化等难题，导致三维有限元仿真在钻铤螺纹分析中的应用受到了限制。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种钻铤锥螺纹有限元模型构建方法，其能够快速的参照api标准螺纹系列的参数化特征，实现快速且精确的有限元模型参数化建模。
2、本专利技术的另一个目的在于提供一种钻铤锥螺纹有限元模型的仿真优化方法，能够优化钻铤锥螺纹有限元模型的输入参数，从而进一步的提升钻铤锥螺纹有限元模型的高精度和高可靠性。
3、本专利技术的实施例是这样实现的：
4、一种钻铤锥螺纹有限元模型构建方法，包括如下步骤：
5、构建初始有限元模型，初始有限元模型按照径向、轴向和周向划分形成三维的圆柱体网格模型，圆柱体网格模型的径向网格x的宽度从钻铤本体到齿顶的间距依次变小，圆柱体网格模型的轴向网格y的高度从上至下的间距相
6、基于api标准螺纹系列的参数化特征构建标准钻铤锥螺纹模型；
7、将初始元模型的节点编号信息和坐标信息导入至标准钻铤锥螺纹模型，圆柱体网格模型的节点根据参数化特征逐节点变化节点位置，生成钻铤锥螺纹轮廓网格。
8、在本专利技术的较佳实施例中，上述标准钻铤锥螺纹模型的参数化特征包括螺距p、螺栓公称直径d、齿高h、锥度taper、齿顶宽度fc、齿根宽度fr、牙侧角θ、牙型半径rho、退刀槽螺距pg、去应力槽半径r1。
9、在本专利技术的较佳实施例中，上述圆柱体网格模型的节点根据参数化特征逐节点变化节点位置的方法包括：
10、读取标准钻铤锥螺纹模型；
11、逐变化节点获取对应螺纹界面的牙侧角，并将螺纹界面假定在xoy平面上，根据节点所处位置进行牙侧角计算；
12、当变化节点位于螺纹界面的第一象限时，θ-ini＝atan(coord-y/coord-x)；当变化节点位于螺纹界面的第二或三象限时，θ-ini＝π+atan(coord-y/coord-x)；当变化节点位于螺纹界面的第四象限时，θ-ini＝2*π+atan(coord-y/coord-x)，其中coord-x为x坐标，coord-y为y坐标；
13、计算由于螺纹界面高度变化引起的节点牙侧角增量θ-add；
14、根据节点牙侧角增量计算节点的真实牙侧角θ，其中θ＝θ-ini+θ-add，当真实牙侧角θ超过2π时，对真实牙侧角θ取余运算；
15、根据真实牙侧角θ从最内层逐层修改周向节点z。
16、在本专利技术的较佳实施例中，根据真实牙侧角θ从最内层逐层修改周向节点z的方法包括：
17、根据径向网格x的宽度判定轴向节点z是否处于正常螺纹部分；
18、若轴向节点z位于正常螺纹部分，当[0≤θ≤θ1]时，r＝d/2-coord-z/2/tapper；当(θ1＜θ＜θ2)时，r＝d/2+fc-h/π*θ-coord-z/2/tapper；当[θ2＜θ≤π]时，r＝d/2-h+fc+2*rho-sqrt(rho2-(π-θ)2/(4*π2)*p2)-coord-z/2/tapper；当(π≤θ≤θ3)时，r＝d/2-h+fc+2*rho-sqrt(rho2-(θ-π)2/(4*π2)*p2)-coord-z/2/tapper；当[θ3≤θ≤θ4]时，r＝d/2-2*h+fc+θ/π*h-coord-z/2/tapper；当真实牙侧角θ不在上述任一牙侧角范围内时，r＝d/2-coord-z/2/tapper。
19、在本专利技术的较佳实施例中，上述θ1＝π*fc/h；θ2＝(1-sqrt(3)/p*rho)*π；θ3＝(1+sqrt(3)/p*rho)*π；θ4＝(2-fc/h)*π。
20、在本专利技术的较佳实施例中，根据真实牙侧角θ从最内层逐层修改周向节点z的方法还包括：当轴向节点z位于退刀槽部分时，根据退刀槽位置逐一更改网格节点，修改方法为：
21、当coord-z>＝-2^0.5/2*r1且coord-z<＝0时，r＝d/2+coord-z；
22、当coord-z>＝-2^0.5*r1且coord-z<＝-2^0.5/2*r1时，r＝d/2-(r1^2-(2^0.5*r1+coord-z)^2)^0.5；
23、当coord-z>＝-4pg+r1且coord-z<＝-2^0.5*r1时，r＝d/2-r1；
24、当coord-z>＝-4pg且coord-z<＝-4pg+r1时，
25、r＝d/2-(r1^2-(-4pg+r1-coord-z)^2)^0.5；
26、当coord-z<＝-4pg时，r＝60；
27、当coord-z>100时，r＝50，
28、其中pg为退刀槽螺距、r1为去应力槽内径。
29、在本专利技术的较佳实施例中，上述圆柱体网格模型的节点根据参数化特征逐节点变化节点位置，生成钻铤锥螺纹轮廓网格的方法还包括：
30、计算未修改节点到原点的径向距离；
31、通过线性插值算法计算外层网格到原点的真实径向距离；
32、根据节点的径向坐标和角坐标计算笛卡尔坐标；
33、将修改后的节点信息存放到新的矩阵，绘制修改后的网格节点分布得到钻铤锥螺纹轮廓网格。
34、在本专利技术的较佳实施例中，上述标准钻铤锥螺纹轮廓网格的生成过程在matlab进行，生成后将标准钻铤锥螺纹轮廓网格转化为能够被hypermesh软件处理的文件格式，最终得到钻铤锥螺纹有限元模型。
35、在本专利技术的较佳实施例中，上述圆柱体网格模型的径向网格x的宽度从钻铤本体到齿顶的间距依次变小，且径向网络在齿根优化范围内的间距从齿根到齿顶的间距依次变小。
36、一种钻铤锥螺纹有限元模型的仿真优化方法，使用上述任一所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法构建出钻铤锥螺纹有限元模型，通过模拟仿真钻铤工作状态，优化钻铤锥螺纹有限元模型的输入参数。
37、本专利技术实施例的有益效果是：
38、1、针对本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种钻铤锥螺纹有限元模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述标准钻铤锥螺纹模型的参数化特征包括螺距P、螺栓公称直径d、齿高h、锥度Taper、齿顶宽度fc、齿根宽度fr、牙侧角θ、牙型半径Rho、退刀槽螺距Pg、去应力槽半径r1。
3.根据权利要求2所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述圆柱体网格模型的节点根据所述参数化特征逐节点变化节点位置的方法包括：
4.根据权利要求2所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述根据真实牙侧角θ从最内层逐层修改周向节点Z的方法包括：
5.根据权利要求4所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述θ1＝π*fc/H；θ2＝(1-sqrt(3)/P*Rho)*π；θ3＝(1+sqrt(3)/P*Rho)*π；θ4＝(2-fc/H)*π。
6.根据权利要求3所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述根据真实牙侧角θ从最内层逐层修改周向节点Z的方法
7.根据权利要求1-6任一所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述圆柱体网格模型的节点根据所述参数化特征逐节点变化节点位置，生成钻铤锥螺纹轮廓网格的方法还包括：
8.根据权利要求1-6任一所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，标准钻铤锥螺纹轮廓网格的生成过程在MATLAB进行，生成后将标准钻铤锥螺纹轮廓网格转化为能够被HyperMesh软件处理的文件格式，最终得到钻铤锥螺纹有限元模型。
9.根据权利要求1-6任一所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述圆柱体网格模型的径向网格X的宽度从钻铤本体到齿顶的间距依次变小，且径向网络在齿根优化范围内的间距从齿根到齿顶的间距依次变小。
10.一种钻铤锥螺纹有限元模型的仿真优化方法，其特征在于，使用权利要求1-9任一所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法构建出钻铤锥螺纹有限元模型，通过模拟仿真钻铤工作状态，优化钻铤锥螺纹有限元模型的输入参数。
...【技术特征摘要】
1.一种钻铤锥螺纹有限元模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述标准钻铤锥螺纹模型的参数化特征包括螺距p、螺栓公称直径d、齿高h、锥度taper、齿顶宽度fc、齿根宽度fr、牙侧角θ、牙型半径rho、退刀槽螺距pg、去应力槽半径r1。
3.根据权利要求2所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述圆柱体网格模型的节点根据所述参数化特征逐节点变化节点位置的方法包括：
4.根据权利要求2所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述根据真实牙侧角θ从最内层逐层修改周向节点z的方法包括：
5.根据权利要求4所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述θ1＝π*fc/h；θ2＝(1-sqrt(3)/p*rho)*π；θ3＝(1+sqrt(3)/p*rho)*π；θ4＝(2-fc/h)*π。
6.根据权利要求3所述的钻铤锥螺纹有限元模型的精细建模方法，其特征在于，所述根据真实牙侧角θ从最内层逐层修改周向节点...
【专利技术属性】
技术研发人员：张浩楠，焦刚，陈士金，赵鹏飞，白璟，张继川，肖占朋，卢泓羽，
申请(专利权)人：四川天石和创科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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